Estrutura complexa de partição pode surgir do deslizamento e da ponte de dímeros ParB

Nature Communications volume 14, número do artigo: 4567 (2023) Citar este artigo

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Em muitas bactérias, a segregação cromossômica requer a associação de ParB à região centromérica contendo parS para formar o complexo de partição. No entanto, a estrutura e a formação deste complexo não são claras. Recentemente, estudos revelaram que a ligação de CTP permite que os dímeros de ParB deslizem ao longo do DNA e condensem a região centromérica através da formação de pontes de DNA. Usando simulações de polímeros semi-flexíveis, demonstramos que essas propriedades podem explicar a formação de complexos de partição. As pontes transitórias de ParB organizam o DNA em estados globulares ou em grampos e estruturas helicoidais, dependendo da vida útil da ponte, enquanto simulações separadas mostram que o deslizamento de ParB reproduz o perfil de ligação de múltiplos picos observado em Caulobacter crescentus. Combinando deslizamento e ponte em um modelo unificado, descobrimos que as pontes ParB de curta duração não impedem o deslizamento e podem reproduzir tanto o perfil de ligação quanto a condensação do complexo nucleoproteico. No geral, nosso modelo elucida o mecanismo de formação do complexo de partição e prevê sua estrutura fina.

A segregação fiel dos cromossomos é essencial para a replicação eficiente das células. Para isso, cromossomos bacterianos e plasmídeos de baixa cópia empregam sistemas de particionamento ativo, sendo o sistema ParABS um dos mais difundidos . Este sistema consiste em três componentes: sequências parS do tipo centromérico e duas proteínas, ParB que forma dímeros que se ligam especificamente à sequência parS, e ParA, uma ATPase, cuja atividade é estimulada por ParB4,5.

O ParB se espalha por várias quilobases de DNA ao redor dos locais parS, que nas bactérias estão concentrados perto da origem de replicação6. Essa disseminação é essencial para o funcionamento desses sistemas, embora o grau de disseminação varie substancialmente entre os sistemas7,8,9,10,11,12,13. Em qualquer caso, acredita-se que o resultado seja um complexo nucleoproteico, o complexo de partição, que é claramente visível utilizando microscopia de fluorescência. Originalmente, propôs-se que a propagação fosse devida à formação de um filamento de nucleoproteína que se estende para fora do local parS . No entanto, foi posteriormente demonstrado que existem muito poucas proteínas ParB para formar estruturas tão grandes . Em vez disso, descobriu-se in vitro que ParB condensa DNA através de ligação inespecífica ao DNA e formação de pontes proteicas10,15,16,17,18,19.

Esses resultados motivaram estudos de modelagem de formação de complexos de partição. Em particular, o modelo de espalhamento e ponte propôs que o complexo de partição se forme através de uma combinação de pontes de longo alcance (3D) e interações de curto alcance (1D) com o vizinho mais próximo . No entanto, este modelo foi posteriormente considerado incompatível com o perfil de ligação do ParB do plasmídeo F11. Em vez disso, foi proposto que o perfil observado se deve ao encarceramento espacial do ParB em torno do local de nucleação do parS, devido a interações não específicas e transitórias, e à natureza polimérica do DNA . Este modelo também pode ser entendido como o limite de espalhamento fraco do modelo de espalhamento e ponte23.

Recentemente, foi demonstrado que ParB exibe atividade CTPase dependente de parS que é necessária para a correta formação e dinâmica do complexo de partição . Demonstrou-se que os dímeros de ParB ligados a CTP carregam e abrangem o DNA nos locais parS e subsequentemente deslizam ao longo da cadeia de DNA antes de eventualmente se dissociarem. Também foi demonstrado in vitro que a ligação de CTP permite que a ponte de ParB ocorra em concentrações fisiológicas (muito inferiores às exigidas na ausência de CTP10,15) e leva a uma condensação eficiente de DNA29,30. Estes resultados mudam fundamentalmente a nossa compreensão de como o complexo de partição é formado e sugerem que os modelos anteriores precisam ser reavaliados. Em particular, nenhum estudo de modelagem forneceu ainda uma estrutura unificada para deslizamento e ponte de dímeros ParB. O deslizamento de ParB também pode ter relevância adicional para sistemas ParABS cromossômicos, que normalmente possuem vários locais parS separados genomicamente e, como resultado, mais de um pico no perfil de ligação de ParB9,10,12,13,21,31,32,33, 34, ainda possuem um único complexo de partição visível por origem em células do tipo selvagem .