DipM controlla molteplici autolisine e media un ciclo di feedback regolatorio che promuove la costrizione cellulare nel Caulobacter crescentus

Nature Communications volume 14, numero articolo: 4095 (2023) Citare questo articolo

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Le proteine ​​con un dominio endopeptidasi di tipo LytM cataliticamente inattivo sono importanti regolatori degli enzimi che degradano la parete cellulare nei batteri. Qui studiamo il loro rappresentante DipM, un fattore che promuove la divisione cellulare nel Caulobacter crescentus. Mostriamo che il dominio LytM di DipM interagisce con molteplici autolisine, tra cui le transglicosilasi litiche solubili SdpA e SdpB, l'amidasi AmiC e la presunta carbossipeptidasi CrbA, e stimola le attività di SdpA e AmiC. La sua struttura cristallina rivela un solco conservato, che secondo studi di modellizzazione si prevede rappresenti il ​​sito di attracco per le autolisine. Le mutazioni in questo solco aboliscono infatti la funzione di DipM in vivo e la sua interazione con AmiC e SdpA in vitro. In particolare, DipM e i suoi target SdpA e SdpB stimolano il reciproco reclutamento nella cellula media, stabilendo un ciclo auto-rinforzante che aumenta gradualmente l'attività autolitica man mano che la citocinesi progredisce. DipM coordina quindi diversi percorsi di rimodellamento del peptidoglicano per garantire un'adeguata costrizione cellulare e la separazione delle cellule figlie.

Nel corso dell'evoluzione, le cellule hanno sviluppato molteplici strategie per rinforzare il proprio involucro in modo da renderlo resistente alla pressione osmotica interna. La maggior parte delle specie batteriche sintetizza una parete cellulare semirigida che circonda la membrana citoplasmatica che sopporta parte della tensione e, inoltre, dà forma alle cellule. Il componente centrale della parete cellulare batterica è il peptidoglicano (PG)1,2, un eteropolimero composto da filamenti di glicani di unità alternate di N-acetilglucosamina (NAG) e acido N-acetilmuramico (NAM) che sono reticolati covalentemente da brevi ponti peptidici3. La rete PG costituisce un'unica grande macromolecola, il cosiddetto sacculo, che necessita di essere costantemente rimodellata per consentire la crescita cellulare, la morfogenesi e la divisione cellulare. Questo processo richiede la scissione dei legami all'interno del sacco da parte degli enzimi litici, noti anche come autolisine, e il successivo inserimento di nuovo materiale nella parete cellulare da parte delle PG sintasi. Le attività di questi due gruppi antagonisti di proteine ​​devono essere strettamente coordinate per prevenire la comparsa di punti deboli nello strato PG che provocano la lisi cellulare4.

Le autolisine sono un gruppo eterogeneo di enzimi classificati in base al legame che rompono nella molecola PG. Le glicosidasi e le transglicosilasi litiche (LT) scindono i legami tra le unità zuccherine dei filamenti di glicani5. In particolare, la reazione mediata dagli LT produce 1,6-anidro-NAM, che in alcune specie agisce come una molecola di segnalazione che indica lo stress da antibiotici β-lattamici6. Le N-acetilmuramil-L-alanina amidasi (PG amidasi) idrolizzano il legame tra il residuo di L-alanina del peptide e le porzioni lattiliche del NAM, generando filamenti di glicani nudi. Si è scoperto che sono necessari per la separazione delle cellule figlie in vari membri dei gammaproteobatteri e dei firmicutes7,8,9,10. Infine, le endopeptidasi rompono vari legami nelle porzioni peptidiche, promuovendo l'incorporazione e il rimodellamento delle PG11,12,13,14. In generale, le autolisi individuali sono raramente essenziali. Tuttavia, in molti batteri, l'inattivazione combinata di più autolisine può causare forti fenotipi letali morfologici e/o sintetici13,15,16,17,18.

Si ritiene che il coordinamento degli enzimi litici e sintetici sia ottenuto mediante il loro assemblaggio in complessi multiproteici4,19,20. Uno di questi complessi è il divisoma, che effettua la divisione cellulare nella maggior parte dei batteri20,21. Il suo assemblaggio inizia tipicamente con la polimerizzazione dell'omologo della tubulina FtsZ in una struttura dinamica ad anello nel futuro sito di divisione22,23. Questo cosiddetto anello Z recluta quindi, direttamente o indirettamente, tutti gli altri componenti del divisoma, comprese le PG sintasi, le autolisine e le proteine ​​regolatrici24,25. L'attività coordinata di questi fattori rimodella gradualmente lo strato PG nel sito di divisione, restringendo e infine dividendo il sacco per consentire il rilascio delle cellule figlie nascenti.