Polymerization of FtsZ is essential for bacterial cell division. In this report, we detail simple protocols to monitor FtsZ polymerization activity and discuss the influence of buffer composition. The protocols can be used to study the interaction of FtsZ with regulatory proteins or antibacterial drugs that affect FtsZ polymerization.
خلال انقسام الخلية البكتيرية، والبروتين ضروري FtsZ تجمع في وسط الخلية لتشكيل ما يسمى Z-الحلبة. FtsZ يبلمر في خيوط طويلة في وجود GTP في المختبر، ويتم تنظيم البلمرة من قبل العديد من البروتينات التبعي. وقد درس على نطاق واسع FtsZ البلمرة في المختبر باستخدام الأساليب الأساسية بما في ذلك تشتت الضوء، الترسيب، GTP المقايسات التحلل والمجهر الإلكتروني. شروط العازلة تأثير كل من خصائص بلمرة FtsZ، وقدرة FtsZ للتفاعل مع البروتينات التنظيمية. هنا، نحن تصف بروتوكولات للدراسات البلمرة FtsZ والتحقق من صحة شروط وضوابط استخدام كولاي العصوية الرقيقة وFtsZ كما البروتينات الطراز. هو عرض والترسيب فحص سرعة منخفضة تسمح دراسة تفاعل مع البروتينات التي FtsZ حزمة أو tubulate البوليمرات FtsZ. يوصف لتحسين بروتوكول مقايسة GTPase أن يسمح الاختبارمن GTP التحلل بمرور الوقت باستخدام مختلف الظروف في الإعداد لوحة 96 جيدا، مع أوقات الحضانة موحدة بأن تلغي التباين في التنمية اللون في رد فعل الكشف عن الفوسفات. يوصف إعداد العينات للدراسات تشتت الضوء والمجهر الإلكتروني. وتستخدم العديد من المخازن المؤقتة إلى إقامة مناسبة ودرجة الحموضة عازلة وتركيز الملح للدراسات البلمرة FtsZ. تركيزات عالية من بوكل هو أفضل بالنسبة لمعظم التجارب. توفير وسائل لدينا نقطة انطلاق لفي المختبر توصيف FtsZ، ليس فقط من E. القولونية وباء. الرقيقة ولكن من أي بكتيريا أخرى. على هذا النحو، وأساليب يمكن استخدامها لدراسات تفاعل FtsZ مع البروتينات التنظيمية أو اختبار الأدوية المضادة للبكتيريا التي قد تؤثر على بلمرة FtsZ.
البكتيرية البروتين FtsZ الأساسية هو أفضل بروتين تتميز آلية انقسام الخلايا البكتيرية. FtsZ هو homolog بدائية النواة من تويولين ويبلمر في المختبر بطريقة تعتمد GTP. FtsZ هو هدف جذاب للغاية لمضادات حيوية جديدة، نظرا لطبيعة الحفظ وتفرد للبكتيريا 1،2. في بداية انقسام الخلية، FtsZ يشكل حلقة cytokinetic في midcell، والتي هي بمثابة سقالة لتجميع البروتينات انقسام الخلايا الأخرى. تشكيل Z الدائري هو أمر حاسم لتوطين الصحيح للطائرة الانقسام. وينظم ديناميكية تجميع FtsZ من قبل العديد من البروتينات الإكسسوارات، مثل (اعتمادا على الأنواع البكتيرية) مينك، SepF، ZAPA، UgtP، وعزرا 2. وقد FtsZ البلمرة درس مكثف في المختبر، والعديد من الهياكل المختلفة بما في ذلك protofilaments على التوالي، protofilaments منحنية، ورقة من خيوط، خيوط وحزم من أنابيب من خيوط كان قصرcribed اعتمادا على المخزن المؤقت التجمع، النوكليوتيدات، والبروتينات إضافية تدرج في مقايسة 3. لا يزال الغموض بنية protofilaments FtsZ في الجسم الحي بالكامل، على الرغم من أن التجارب cryotomography الإلكترون في العنيقاء crescentus تشير إلى أن Z-حلقة يتم تجميعها من، protofilaments احد noncontinuous قصيرة نسبيا دون واسعة تجميع 4.
في المختبر، والخصائص بلمرة FtsZ وتفاعل FtsZ مع البروتينات التنظيمية حساسة لتكوين رد فعل العازلة. على سبيل المثال، وصفنا مؤخرا موقع التفاعل لSepF على FtsZ C-محطة وأظهرت أن FtsZ الإفطار اقتطاع Δ16 C-محطة لم يعد يربط SepF 5. في دراسة سابقة على التفاعل SepF-FtsZ الإفطار، وهو مماثل FtsZ الإفطار Δ16 اقتطاع يزال cosedimented مع SepF، الذي اقترح أن SepF بربط موقع ثانوي على FtsZ <suع> 6. كان الفرق بين هذه الدراسات لتكوين رد فعل مخازن-في درجة الحموضة 7.5 لم يكن هناك cosedimentation من SepF مع اقتطاع FtsZ، بينما في درجة الحموضة 6.5 كان هناك cosedimentation. Gündoğdu وآخرون. أشار إلى أن SepF غير فعال ويترسب في درجة الحموضة 6.5 7، وتبين أن cosedimentation وحظ في درجة الحموضة 6.5 ومن المرجح أن يكون ناجما عن هطول الأمطار من SepF بدلا من التفاعل مع FtsZ الإفطار اقتطاع Δ16 C-محطة. تأثير درجة الحموضة وتركيز بوكل على بلمرة FtsZ وقد درست سابقا. البوليمرات من E. القولونية FtsZ (FtsZ EC) في درجة الحموضة 6.5 هي أطول وأكثر وفرة من تلك التي شكلت في درجة الحموضة 8،9 محايدة. تادرس وآخرون. درسوا بلمرة FtsZ المفوضية الأوروبية في وجود الكاتيونات الأحادي التكافؤ مشيرا إلى أن K + ملزمة مرتبط FtsZ المفوضية الأوروبية البلمرة وأمر بالغ الأهمية للنشاط FtsZ 10. الرقم الهيدروجيني هو أكثر criticaل عندما يتم درس تفاعل FtsZ مع بروتينات أخرى، كما يتضح من المثال السابق من SepF، والاعتماد على الرقم الهيدروجيني للتأثير كابح من مينك على FtsZ 11. لأن كلا من درجة الحموضة وتركيز الملح قد يؤثر على تفاعل FtsZ مع بروتينات أخرى، فمن المهم أن تختار الشروط والضوابط الحق للدراسات البلمرة FtsZ.
نحن هنا تصف بروتوكولات لدراسة البلمرة FtsZ والنشاط GTPase كتبها تشتت الضوء، المجهر الإلكتروني، والترسيب، والمقايسات GTPase. الحق ضوء زاوية التشتت هو الأسلوب القياسي لدراسة FtsZ البلمرة في الوقت الحقيقي 12. قدمنا بعض التحسينات إلى الترسيب وGTPase الفحص. نقدم بالتفصيل كيفية تحضير العينات لتشتت الضوء والمجهر الإلكتروني. تم اختبار العديد من مخازن تستخدم في الأدب لدراسة FtsZ البلمرة وصفنا أفضل الظروف لكل تجربة. وتبين لنا أيضا التي تسيطر ينبغي أن يكونقدم للحصول على أفضل البيانات.
هذه الأساليب تسمح دراسة سريعة من FtsZ البلمرة، والنشاط والتفاعل مع بروتينات أخرى باستخدام أساليب ومعدات والذي يتوفر في معظم المختبرات بسيطة. أساليب أكثر تطورا لدراسة FtsZ البلمرة موجودة ولكن غالبا ما تتطلب الحصول على معدات أكثر تخصصا، و / أو تعديل FtsZ مع تسميات الفلورسنت 8،13،14. ويوضح أساليب بسيطة وصفها في هذه الورقة باستخدام FtsZ من B. الرقيقة وE. القولونية، وأكثرها شيوعا غرام + والكائنات الحية الغرام الطراز. البروتوكولات يمكن أن تتكيف مع أي بروتين FtsZ الأخرى. استنادا إلى فحوصات أولية مع هذه FtsZs الرواية، تغييرات طفيفة بشأن الوقت، العازلة أو درجة حرارة الحضانة قد تكون ضرورية لتحقيق نتيجة أفضل. يجب التجارب وصفها هنا تساعد في إيجاد هذه الظروف المثلى.
We describe a set of methods that allows a quick analysis of FtsZ activity and its interaction with other proteins. Light scattering, sedimentation and GTPase assays as well as electron microscopy have been widely used to study FtsZ polymerization. We have made some improvements to existing protocols, we showed the influence of different conditions on FtsZ assembly, and we propose controls that should be included in FtsZ studies.
We introduce low speed centrifugation to distinguish large structures formed by the association between FtsZ and its interacting proteins from FtsZ polymers. This method shows two advantages over the standard sedimentation assay. First, no background is formed by the FtsZ polymers in the pellet fraction as they are not spun down at 24,600 x g. Second, the amount of FtsZ present in the structure formed with an interacting protein may be calculated from the gel. Two critical steps in this method are the incubation time and the GTP concentration. It is important to centrifuge the large protein structure when it is complete but before it disassembles when all GTP is hydrolyzed. The best control for this study is polymerization of FtsZ with GDP. There is one potential limitation of the assay. FtsZ forms a stable complex with SepF, which can easily be spun down at 24,600 x g. If the sedimentation with another activator or a drug that bundles FtsZ polymers is performed, it may be necessary to adapt the assay. It may be done by changing the incubation time, or increasing the speed of centrifugation.
Proper preparation of the sample is the most important for light scattering experiments. Proteins must be precleared by spinning and all the buffers should be filtered prior to use. If any aggregates are present in the sample, they will disrupt a stable signal obtained from FtsZ polymers. For the analysis of the FtsZ structures by electron microscopy, preparation of a grid is the main step. The time of sample incubation on the grid will have the effect of producing more or less compacted polymers. For bundles of FtsZBs, the time of incubation must be shorter than for FtsZEc and FtsZBs at high KCl concentration. We used a concentration of 12 µM for every sample to be able to compare the results. However, for FtsZBs at 50 mM KCl a lower FtsZ concentration should be used, as 12 µM resulted in a full saturation of the grid. This makes the polymers highly compacted and difficult to detect. Less compacted polymers are better to detect on EM.
The GTPase assay is the only experiment used to study the activity rather than the structures of FtsZ. Mg2+ is necessary for GTP turnover in FtsZ polymers. Thus, in the absence of Mg2+, FtsZ does not hydrolyze GTP. Therefore, a sample with no Mg2+ is the right control in this assay but cations of Mg are present in the FtsZ storage buffer. They may be removed by addition of 1 mM EDTA to the control sample. The critical step in this assay is the incubation time. It is important to stop FtsZ activity after a given time. This is achieved by transferring the FtsZ sample to a malachite green solution in a 96-well plate. However, development of the malachite green color is a continuous process. Thus the measurements must be taken at the same time for every sample. Using a well-planned GTP addition protocol with measurements taken each 30 sec apart in an established order, it is possible to obtain the same incubation and sample handling time for every time point. Another critical step is choosing the concentration of the protein for the experiment. In the experiment we used two different concentrations for FtsZEc and FtsZBs. GTP hydrolysis is much quicker for FtsZEc compared to FtsZBs. The GTPase activity of FtsZEc under chosen conditions and at 12 µM is linear only for maximum 5 min and after that time the hydrolysis rate plateaus. Thus, it is difficult to interpret data from the experiment when performed under these conditions. In this case FtsZEc must be used at lower concentration than FtsZBs to be able to compare activities of both proteins. The GTPase activity of FtsZs from different sources may vary. Thus, the right concentration must be chosen. The concentration for FtsZ polymerization should be well above the critical concentration (in general from 2.5-10 µM). The dynamics of FtsZ assembly and disassembly is also important. Some proteins show a significant lag in polymerization after addition of GTP, as shown for FtsZBs at 50 mM KCl. It is useful to perform the light scattering assay before the GTPase assay to approximate the time of assembly and disassembly of FtsZ polymers. After that, the time of incubation and concentration of protein may be chosen. Since the conditions chosen for FtsZ polymerization are crucial, it is important to use the right pH and KCl concentration in each method. In this work we studied 9 different buffers with pH ranging from 6.5-7.5 and KCl concentrations from 0 M to 300 mM. We noticed that the best condition to analyze FtsZs from B. subtilis and E.coli and their biological activity is at pH that is close to physiological level (7.5) together with a high KCl concentration. At a high KCl concentration, FtsZ has a higher GTPase activity and produces polymers that are better detectable by electron microscopy. We also confirmed that the physiological pH and a high KCl concentration are better for the study of the interaction between FtsZ and regulatory proteins than any other buffers mostly used to study FtsZ assembly. FtsZBs shows a similar activity to FtsZEc when studied at high KCl concentration. In addition, at low salt concentration the influence of pH is more visible than in the buffers with high salt concentration. FtsZ sometimes precipitates when using buffers without KCl, as a result, buffers without salt should be avoided. Sedimentation of FtsZ polymers is low when using buffers with high KCl concentrations. This may be an advantage when studying interactions between FtsZ and proteins that assemble FtsZ filaments such as SepF and ZapA as these higher order structures are easy to detect with centrifugation. In all our experiments we used MgCl2 at a 10 mM concentration. It was shown that a relatively high Mg2+ concentration stabilizes FtsZ polymers and reduces the GTPase activity of FtsZ. In Table 2 results from various studies are summarized describing FtsZ polymerization and GTPase activity at different Mg2+ concentrations using otherwise identical buffer conditions 27. The measured concentration of free cytoplasmic Mg2+ is 0.9 mM3. It should be noticed that GTP will chelate an equivalent amount of Mg2+. Thus, the optimal Mg2+ concentration for GTPase experiments is around 2-2.5 mM, which is close to physiological level3. However, in our experiments we used MgCl2 at a 10 mM concentration to obtain an easily detectable light scattering signal and to stabilize FtsZ polymers during the sedimentation assay.
Although we applied our protocols to FtsZ from the model organisms E. coli and B. subtilis, they can be adapted to FtsZ from any other organism. It has to be noted that the physiological pH, and concentrations of monovalent, and divalent cations differ among organisms. Thus, the optimal conditions for FtsZ polymerization may vary. Differences in doubling time and growth conditions of different bacteria may result in different assembly kinetics of FtsZ and optimal conditions of the experiments. However, our protocol provides a good starting point for the experiments with FtsZs from other organisms. The protocols should be useful for the study of FtsZ with regulatory proteins or the study of effects of small compounds and drugs on FtsZ.
Source | Polymerization [% of FtsZ sedimented] | GTPase [Pi/FtsZ/min] | Mg2+ concentration [mM] | FtsZ concentration [µM] | References |
FtsZEc | ~ 28% | ~ 2.1 | 10 | 12 | This work |
~ 50% | ~ 2.4 | 10 | 12.5 | 27 | |
~ 43% | ~ 3.5 | 5 | 12.5 | 27 | |
~ 27% | ~ 4.6 | 2.5 | 12.5 | 27 | |
ND | ~ 5.4 | 2.5 | 5 | 26 | |
FtsZBs | ~ 30% | ~ 0.8 | 12 | This work | |
~ 52% (with DEAE dextran) | ~ 0.5 | 10 | 10 | 11 | |
ND | ~ 2.25 | 2.5 | 5 | 26 |
Table 2. Effect on Mg2+ on FtsZ polymerization and GTPase. Results from this work compared to published data. All experiments were carried out in 50 mM MES/ NaOH, pH=6.5, 50 mM KCl.
The authors have nothing to disclose.
Work in our laboratory is funded by a VIDI grant from the Netherlands Organisation for Scientific research (to DJS). We thank Marc Stuart and the Department of Electron Microscopy at our university, for assistance with and providing access to the transmission electron microscope.
GTP | Roche | 10106399001 | Part 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 |
Thickwall Polycarbonate Tubes | Beckman Coulter | 343776 | Part 2 |
Optima MAX-XP Ultracentrifuge | Beckman Coulter | 393315 | Part 2, 3 |
Polyallomer Tube with Snap-on Cap | Beckman Coulter | 357448 | Part 3 |
AIDA Bio-package, 1D, 2D, FL | Raytest Isotopenmessgeräte GmbH | 15000001 | Part 4 |
Luminescence Image Analyzer LAS-4000 | Fujifilm | Part 4 | |
Thermo Spectronic AMINCO-Bowman Luminescence Spectrometer | Spectronic Instruments | Part 5 | |
Fluorescence Cell | Hellma Analytics | 105-250-15-40 | Part 5 |
Square 400 Mesh, Copper, 100/vial | Electron Microscopy Sciences | G400-Cu | Part 6 |
CM120 Electron Microscope Operating at 120 kV | Philips | Part 6 | |
96 ml x 0.2 ml Plate | BIOplastics | B70501 | Part 7 |
Malachite Green Phosphate Assay Kit | BioAssay System | POMG-25H | Part 7 |
PowerWave HT Microplate Spectrophotometer | BioTek | Part 7 |