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.
細菌の細胞分裂の間、必須タンパク質のFtsZは、いわゆるZ-環を形成して、セルの中央に組み立てる。 FtsZは、 インビトロで GTPの存在下で長いフィラメントに重合し、重合は、いくつかのアクセサリータンパク質により調節される。 FtsZの重合は、広範囲に光散乱、沈降、GTP加水分解アッセイおよび電子顕微鏡法などの基本的な方法を用いてインビトロで研究されてきた。バッファー条件の影響は、両方のFtsZの重合特性、および調節タンパク質と相互作用するためのFtsZの能力。ここでは、FtsZの重合研究のためのプロトコルを記述し、モデルタンパク質として大腸菌、枯草菌のFtsZを使用して条件とコントロールを検証します。低速沈降アッセイは、バンドルまたはFtsZの重合体をチューブ状のタンパク質とのFtsZの相互作用の研究を可能に導入される。改良されたGTPアーゼアッセイプロトコルは、テストを可能に記載されているリン酸検出反応での発色の変化を廃止し、標準化インキュベーション時間を有する96ウェルプレートセットアップにおいて、種々の条件を用いて経時的にGTP加水分解。光散乱試験および電子顕微鏡観察用試料の調製が記載されている。複数のバッファは、FtsZの重合の研究に適した緩衝液pHおよび塩濃度を確立するために使用される。塩化カリウム高濃度の実験のほとんどのための最善の方法です。我々の方法は、E.からだけでなく、のFtsZ のインビトロ特徴付けのための出発点を提供大腸菌とB枯草菌が、他の細菌から。このように、本方法は、調節タンパク質またはFtsZの重合に影響を与える可能性抗菌薬のテストとのFtsZの相互作用の研究のために使用することができる。
必須の細菌タンパク質FtsZは、細菌の細胞分裂機構の最もよく特徴付けられたタンパク質である。 FtsZは、チューブリンの原核生物相同体であるとGTP依存的にin vitroで重合する。 FtsZは、細菌の1,2への保存された自然や独自性のために新しい抗生物質のために非常に魅力的な標的である。細胞分裂の開始時に、FtsZは、他の細胞分裂タンパク質の組み立てのための足場として働くmidcellにおける細胞質分裂の環を形成する。 Z-環の形成は、分割面の正しい位置特定のために重要である。のFtsZの組立ダイナミクスは、MINC、SepF、ZapA、UgtP、エズラ2(細菌種に応じて)など、いくつかのアクセサリータンパク質によって調節されています。 FtsZの重合は、インビトロで集中的に研究されており、直プロトフィラメント、湾曲したプロトフィラメント、フィラメントのシート、フィラメントのフィラメント、チューブの束を含む多くの異なる構造がデスされている組立バッファ、ヌクレオチド、およびアッセイ3に含まれている追加のタンパク質に依存しcribed。 カウロバクターのクレセンタスにおける電子cryotomography実験は、Zリングが豊富な4をバンドルすることなく、比較的短い、非連続シングルプロトフィラメントから組み立てられていることを示唆しているが、生体内でのFtsZのプロトフィラメントのアーキテクチャは、まだ完全には理解されていません。
in vitroでは 、FtsZの重合特性及び調節タンパク質とのFtsZの相互作用は、反応バッファーの組成に敏感である。例えば、我々は最近、FtsZのC末端にSepFための相互作用部位を説明し、FtsZは宿泊 Δ16C末端TRUNCATEはもはやSepF 5に結合することが示されなかった。 SepF-FtsZは宿泊の相互作用に関するこれまでの研究では、同様のFtsZ 宿泊 Δ16はまだSepFがFtsZの上のセカンダリサイトに結合することが示唆されSepFとcosedimentedとtruncate <suP> 6。これらの研究の違いは、pH7.5でバッファ – のFtsZとSepFのない共沈降は、pH6.5の共沈降があったのに対し、切り捨てるありませんでした。反応の組成物であった。 Gündoğdu ら 。 SepFが機能していないし、pH 6.5で観察共沈降がSepFの析出はなく、FtsZの宿泊 Δ16C末端TRUNCATEとの相互作用によって引き起こされる可能性が高いことを示し、pH6.5の7に析出と指摘した。のFtsZの重合に対するpHおよびKCl濃度の影響は、以前に検討されている。 EのポリマーpH6.5で大腸菌のFtsZ(FtsZはEC)は 、より長く、より豊富な中性pH 8,9で形成されたものよりも。 Tadros ら 。バインディングのK +が FtsZのEcの重合にリンクされ、FtsZは活動10のために重要であることは注目に一価の陽イオンの存在下でのFtsZ のEcの重合を検討した。 pHがよりcriticaですSepFの前の例、およびFtsZは11日 MINCの抑制効果のpH依存性で示すように、他のタンパク質とのFtsZの相互作用は、検討されているL。 pHおよび塩濃度の両方が他のタンパク質とのFtsZの相互作用に影響を及ぼし得るように、FtsZの重合試験のための適切な条件およびコントロールを選択することが重要である。
ここでは、光散乱、電子顕微鏡、沈降、およびGTPアーゼアッセイによりFtsZの重合およびGTPase活性を研究するためのプロトコルを記述します。直角光散乱は、即座に12 FtsZの重合を研究するための標準的な方法である。私たちは、沈降およびGTPアーゼアッセイ、数の改善を導入しました。我々は、光散乱および電子顕微鏡用の試料を調製する方法を詳細に述べる。 FtsZの重合を研究する文献で使用されるいくつかのバッファがテストされ、我々は、各実験のための最高の条件を説明した。我々はまたあるべきかを制御示して最適なデータを得るために導入した。
これらのメソッドは、ほとんどの実験室で提供され、簡単な方法および装置を使用して他のタンパク質とのFtsZの重合活性および相互作用の迅速な研究を可能にする。 FtsZの重合を研究するより洗練された方法が存在するが、多くの場合、蛍光標識8,13,14とのより専門的な機器へのアクセス、および/ またはFtsZのの修正が必要。このホワイトペーパーで説明の簡単な方法は、BからのFtsZを使用して説明している枯草菌および大腸菌大腸菌 、最も一般的なグラム陽性およびグラムモデル生物。プロトコルは、他のFtsZタンパク質に適合させることができる。これらの新規FtsZsによる予備アッセイに基づいて、インキュベーション時間、緩衝液または温度に関するわずかな変化は、最適な結果のために必要であり得る。ここに記載された実験は、これらの最適な条件を見つけるのに役立つはずです。
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 |