プラスミド分配システム

プラスミド分割システムは、細菌細胞分裂中にプラスミドの安定した継承を保証するメカニズムです。各プラスミドには、細胞内のプラスミドのコピー数を制御する独立した複製システムがあります。コピー数が多いほど、2 つの娘細胞にプラスミドが含まれる可能性が高くなります。通常、プラスミドの各分子はランダムに拡散するため、プラスミドのない娘細胞を持つ確率は 2 ^1−Nです(N はコピー数)。たとえば、細胞内にプラスミドのコピーが 2 つある場合、プラスミドのない娘細胞が 1 つある可能性は 50% です。ただし、コピー数が多いプラスミドは、宿主細胞にコストがかかります。この代謝負荷はコピー数の少ないプラスミドでは低くなりますが、数世代後にプラスミドが失われる可能性が高くなります。プラスミドの垂直伝達を制御するために、制御された複製システムに加えて、細菌プラスミドは、マルチマー分解システム、分離後の殺傷システム (中毒モジュール)、および分割システムなどのさまざまな維持戦略を使用します。^[1]

プラスミドのコピーはセントロメアのような部位の周りで対になり、その後2つの娘細胞に分離されます。分割システムには3つの要素が含まれ、自動制御オペロンに編成されています。^[2]

• セントロメアのようなDNA部位
• セントロメア結合タンパク質 (CBP)
• モータータンパク質

セントロメア様 DNA サイトは、プラスミドの安定性のためにシスで必要です。セントロメア様 DNA サイトには、複数の CBP によって認識される 1 つ以上の逆方向反復が含まれることがよくあります。これにより、パーティション コンプレックスと呼ばれる核タンパク質複合体が形成されます。この複合体は、ヌクレオチド トリホスファターゼ (NTPase) であるモーター タンパク質をリクルートします。NTPase は、NTP 結合と加水分解からのエネルギーを使用して、プラスミドを直接的または間接的に移動させ、特定の宿主位置 (細菌細胞の反対極など) に付着させます。

パーティションシステムは、主にNTPaseの種類に基づいて4つのタイプに分けられます。^{[3] [4]}

• タイプ I : ウォーカー型 P ループ ATPase
• タイプ II : アクチン様 ATPase
• タイプ III : チューブリン様 GTPase
• タイプIV: NTPaseなし

このシステムは、ほとんどの細菌でも染色体分離に使用されています。^{[3]タイプ I の分割システムは、}ウォーカー モチーフ を含む ATPase と、タイプ Ia と Ib で構造が異なる CBP で構成されています。タイプ Ia の ATPase と CBP はタイプ Ib のものよりも長いですが、両方の CBP ともN 末端部分にアルギニン フィンガーが含まれています。 ^{[5] [1] [6]} さまざまなプラスミドや細菌種の ParA タンパク質は、プラスミド P1のタンパク質 ParA と 25 ～ 30% の配列同一性を示しています。^[7] タイプ I システムの分割では、「拡散ラチェット」メカニズムが使用されます。このメカニズムは次のように機能します。^[8]

1. ParA-ATPの二量体は核様体DNAに動的に結合する^{[9] [10] [11] [12]}
2. ATP結合状態のParAはparSに結合したParBと相互作用する ^[13]
3. ParSに結合したParBはプラスミドを囲む核様体領域からのParAの放出を刺激する^[14]
4. プラスミドはその後、核様体のParA欠乏領域の周囲に生じたParA勾配を追跡する。
5. プラスミドの移動に伴って核様体から放出されたParAは、遅れて核様体の他の領域に再分配される^[15]
6. プラスミド複製後、姉妹コピーは核様体上のParAを反対方向に追跡しながら反対側の細胞半分に分離する。

タイプIのメカニズムの詳細には違いがある可能性が高い。^[6]

タイプ１の分割は、上記のメカニズムのバリエーションで数学的にモデル化されている。^{[16] [17] [18] [19]}

このタイプのCBPは3つのドメインから構成されます: ^[6]

• N末端NTPase結合ドメイン
• 中央ヘリックスターンヘリックス（HTH）ドメイン^[20]
• C末端二量体ドメイン^[21]

このタイプのCBPはparGとも呼ばれ、以下のもので構成されています。^[6]

• N末端NTPase結合ドメイン
• リボンヘリックスヘリックス (RHH) ドメイン

このタイプでは、parSサイトはparCと呼ばれます。

このシステムは、プラスミド分割システムの中で最もよく理解されている。^[6] これは、アクチン様ATPaseであるParMと、CBPであるParRから構成される。セントロメア様部位であるparCには、 parMRプロモーターによって区切られた5つの11塩基対の直接反復配列が2セット含まれている。ParMと他のアクチン様ATPaseとの間のアミノ酸配列の同一性は15%まで下がることがある。^{[7] [22]}

ここでの分割のメカニズムは押し出しメカニズムである: ^[23]

1. ParRはparCに結合し、プラスミドをペアにして核タンパク質複合体、またはパーティション複合体を形成する。
2. パーティション複合体はParMの重合の核形成点として機能し、ParM-ATP複合体はこの点に挿入され、プラスミドを押し離す。
3. 挿入によりParM-ATP複合体の加水分解が起こり、フィラメントの脱重合が起こる。
4. 細胞分裂の際、プラスミドのコピーは各細胞の端にあり、将来の娘細胞に伝わります。

ParM のフィラメントは、パーティション複合体 (ParR- parC )の存在によって可能になる重合と、ParM の ATPase 活性によって制御される脱重合によって制御されます。

タイプIIIの分割システムは、最も最近発見された分割システムです。これは、TubZと呼ばれるチューブリン様GTPaseと、TubRと呼ばれるCBPで構成されています。TubZタンパク質のアミノ酸配列の同一性は21％まで低下することがあります。^[7]

このメカニズムはトレッドミルのメカニズムに似ている: ^[24]

1. 複数の TubR 二量体がプラスミドのセントロメア様領域stbDRに結合します。
2. TubR とトレッドミル TubZ ポリマーのフィラメントとの接触。TubZ サブユニットは - 端から失われ、+ 端に追加されます。
3. TubR-プラスミド複合体は、成長中のポリマーに沿って引っ張られ、細胞極に到達します。
4. 膜との相互作用がプラスミドの放出を引き起こす可能性があります。

最終結果は、分割複合体が細胞極に輸送されることです。

プラスミドR388のパーティションシステムはstbオペロン内に発見されました。このオペロンはstbA、stbB、stbCの3つの遺伝子で構成されています。^[25]

• StbA タンパク質は DNA 結合タンパク質 (ParM と同一) であり、大腸菌におけるプラスミド R388 の安定性と細胞内配置に厳密に必要です。StbA はシス作用配列であるstbDRに結合します。

StbA- stbDRs複合体は、細菌の分割システムを間接的に利用して、プラスミドを宿主染色体にペアリングするために使用できます。

• StbB タンパク質には Walker 型 ATPase モチーフがあり、結合には有利ですが、世代を超えたプラスミドの安定性には必要ありません。
• StbC は機能が不明な孤立タンパク質です。StbC は分割にも接合にも関与していないようです。

StbA と StbB は、共役に関連して、反対ではあるが関連した効果を持ちます。

このシステムはタイプIVの分割システムであると提案されている。^[26]オペロンの構成が似ていることから、タイプIの分割システムの派生であると考えられている。このシステムは、プラスミドの分離と接合プロセスの間のメカニズムの相互作用に関する最初の証拠である。^[26]

pSK1 はStaphylococcus aureus由来のプラスミドです。このプラスミドは、以前はorf245と呼ばれていた単一の遺伝子parによって決定される分割システムを持っています。この遺伝子はプラスミドのコピー数にも増殖速度にも影響しません (分離後の殺菌システムへの影響を除く)。セントロメアのような結合配列がpar遺伝子の上流に存在し、7 つの直接反復と 1 つの逆方向反復で構成されています。