RacA, a Bacterial Protein That Anchors Chromosomes to the Cell Poles

陳吟竹

  Introduction :

Cell division為原核細胞進行細胞分裂的過程。原核細胞在進行 cell division的第一步，需要一個類似真核 tubulin的蛋白質— FtsZ進行 polymerization (Fig. 1)，FtsZ與其他的 cell division protein一起形成一個環狀的構造 (Fig. 2)。在一般的 cell division，Z ring位於細胞的中央，且最後形成 septum，由此細胞一分為二 (Fig. 1)。

Fig. 1                            Fig. 2

真核細胞在進行有絲分裂 (mitosis) 時，sister chromosomes 的 centromere部分會固定在 spindle apparatus (Fig. 3)，藉由centromere-bound kinetochores，spindle apparatus會將sister chromosomes分別拉向細胞的兩端，繼而進行細胞分裂 (cytokinesis)，形成兩個daugher cell (Fig. 4)。而在原核細胞細胞分裂 ( cell division) 的過程，缺乏如真核細胞的 spindle apparatus 的構造將 sister chromosomes 拉到細胞的兩端。

Fig. 3                          Fig. 4

然而在 Bacillus subtilis 進行 sporulation形成 endospore 的過程 (Fig. 5)，卻觀察到新複製的 replication origin有類似 centromere的行為，會帶著 chromosome 移動到細胞的兩端並固定 (Fig. 6)。詳細的機制仍有待研究。

Fig. 5                                Fig. 6

Results :

本篇論文的作者在 2000於 PNAS 發表的研究中，利用 σ^F 及 Spo0A (已知與開始 sporulation 有關的基因) (Fig. 5) 缺失的突變株以 microarray 與 wild-type 比較，發現了一些與 B. subtilis 早期至中期 sporulation 有關的基因。其中，本篇論文所探討的 RacA (remodeling and anchoring of the chromosome) 即是其中一個基因 racA 的產物。racA在 sporulation 早期會短暫地被 Spo0A 及 σ^H 活化 (Fig .7)，並在其他會形成胞子的 Bacillus species中可找到 homologs，故相信其與 sporulation 的調控有關。

Fig. 7

作者以 FM4-64染 membrane，以 DAPI (4',6-diamidino-2-phenylindole)染 DNA，並利用 GFP-fusion的方式，以螢光顯微鏡觀察並探討 RacA 在 B. subtilis sporulation 所扮演的角色。在本篇論文中，作者們在 RacA 突變株觀察到：

1.     polar septum 形成的延遲。

2.    nucleotide 無法延伸到細胞兩端，且無法有效的進入 forespore。(Fig. 8)

Fig. 8

3.    容易形成兩端都有 septum 的不正常現象。(Fig. 9)

Fig. 9   Fig. 10  

4.    RacA 與 replication origin 的 localization有關。(Fig. 10)

5.    RacA 位於 cell poles，並與整個 nucleotide binding。(Fig. 11)

Fig. 11

RacA 似乎作為 replication origin 與 cell poles 之間的橋樑，於 sporulation 時 binding 到整個 nucleotide 上，使其延伸並協助 replication origin 移動到 cell poles。

文獻指出一個位於 cell poles 的 cell division protein － DivIVA的突變株，無法進行 sporulation ，且如同 RacA 突變株會形成空的 forespore。所以作者進一步探討 RacA 與 DivIVA 之間的關係。結果發現 RacA本身的 localization 需要與 DivIVA 作用。(Fig. 12)

Fig. 12

因此 RacA 似乎扮演著類似 kinetochore 的角色，帶著類似 centromere 的 replication origin 往 cell poles 移動，並與類似 centrosome 的 DivIVA 結合，使得複製完的兩套 nucleotide 得以有效的分離。

由於 RacA 與 MinCD 皆與 DivIVA結合，所以作者提出了一個 model 來說明 RacA 在 chromosome anchoring 及 polar division 所扮演的角色：

Fig. 13

在環境適合生長的環境下， B. subtilis 並不會形成 endospore。此時 DivIVA 會捉住 MinCD complex，而 MinCD 則會捉住 FtsZ，使的 Z ring 無法在 cell poles 形成，而無法進行 polar division 而形成 endospore (Fig. 13 upper)。但當要進行 sporulation 時，RacA 會 binding 到整個 nucleotide 上，使得 nucleotide 延伸形成 axial filament 的形式，且 RacA 帶著 replication origin 移動到 cell poles，RacA 並與 DivIVA 結合，使 MinCD 自 DivIVA 離開，進而使 FtsZ 得以在 cell pole 形成 Z ring，進行 polar division 以進行 sporulation (Fig. 13 lower)。

 References :

1.      Nannunga N.,  Cytokinesis in prokaryotes and eukaryotes: common principles and different solutions. Microbiol. Mol. Biol. Rev. (2001), 65(2): 319-333

2.      Fawcett P., Eichenberger P., Losick R., and Youngman P., The transcriptional profile of early to middle sporulation in  Bacillus subtilis. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. (2000), 97: 8063-8068

3.      Ben-Yehuda S., Rudner D. Z., and Losick R., RacA, a bacterial protein that anchors chromosomes to the cell poles. Science (2003), 299: 532-536

4.      Shapiro L., McAdams H. H., and Losick R., Generating and expoliting polarity in bacteria. Science (2002), 298: 1942-1946

5.      Errington J., Daniel R. A., and Scheffers D. J., Cytokinesis in bacteria. Microbiol. Mol. Biol. Rev. (2003), 67(1): 52-65

6.      Marston A. L., Thomaides H. B., Edwards D. H., Sharpe M. E., and Errington J., Polar localization of the MinD protein of Bacillus subtilis and its role in selection of the mid-cell division site.Genes & Development (1998), 12: 3419-3430