Basi molecolari e principi di progettazione dei fronti commutabili

Nature Communications volume 14, numero articolo: 4056 (2023) Citare questo articolo

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Durante la migrazione cellulare, la polarità anteriore-posteriore è regolata spaziotemporalmente; tuttavia, la struttura sottostante delle interazioni normative varia. Nelle cellule Myxococcus xanthus a forma di bastoncino, un interruttore spaziale a levetta regola dinamicamente la polarità anteriore-posteriore. Il modulo di polarità stabilisce la polarità fronte-retro garantendo la localizzazione del polo anteriore della piccola GTPasi MglA. Al contrario, il sistema chemosensoriale Frz, agendo sul modulo di polarità, provoca inversioni di polarità. La localizzazione di MglA dipende dai complessi RomR/RomX GEF e MglB/RomY GAP che si localizzano asimmetricamente ai poli mediante meccanismi sconosciuti. Qui, mostriamo che RomR e le proteine ​​​​del dominio roadblock MglB e MglC generano un feedback positivo formando un complesso RomR/MglC/MglB, stabilendo così il polo posteriore con un'elevata attività GAP che non è permissiva per MglA. MglA nella parte anteriore si impegna in un feedback negativo che rompe allostericamente il feedback positivo RomR/MglC/MglB, garantendo così una bassa attività GAP a questo polo. Questi risultati svelano i principi di progettazione di un sistema per la polarità anteriore-posteriore commutabile.

La polarità cellulare con la localizzazione asimmetrica delle proteine ​​all'interno dello spazio cellulare è onnipresente e fondamentale per molte funzioni cellulari, tra cui la crescita e la motilità1,2,3. Tuttavia, il modo in cui la polarità emerge su scala cellulare dalle interazioni locali proteina-proteina e come viene controllata dinamicamente è poco compreso. I regolatori di polarità sono spesso collegati per generare reti che includono feedback positivo, feedback negativo e/o mutua inibizione2,4,5,6,7. Nella regolazione trascrizionale, è ben noto che diversi disegni di circuiti regolatori possono portare a risultati funzionalmente equivalenti, ad esempio la doppia negazione è funzionalmente equivalente alla doppia regolazione positiva8. Allo stesso modo, le reti che regolano la polarità con risultati funzionalmente equivalenti possono avere progetti diversi, sollevando la questione del perché è stato selezionato un particolare progetto di rete.

Un tema ricorrente nei sistemi di regolazione della polarità è la localizzazione della forma attiva di una piccola GTPasi legata al GTP in una singola posizione intracellulare6,7,9,10,11,12. La GTPasi, a sua volta, interagisce con gli effettori a valle per implementare una risposta specifica. Queste GTPasi sono interruttori molecolari che alternano una conformazione inattiva, legata al GDP, e una attiva, legata al GTP13. Il ciclo di attivazione/disattivazione è regolato da un fattore di scambio guanina-nucleotide (GEF), che facilita lo scambio di GDP con GTP, e da una proteina attivante la GTPasi (GAP), che stimola la bassa attività intrinseca della GTPasi14. Due sistemi ben studiati dal punto di vista sperimentale e teorico illustrano come reti di regolazione della polarità con progetti diversi possono portare a risultati equivalenti. In Saccharomyces cerevisiae privo della piccola GTPasi Rsr1, la posizione del sito della singola gemma dipende da dove la GTPasi Cdc42 forma spontaneamente un singolo cluster sulla membrana. La rete regolatoria competente fa perno su almeno un riscontro positivo che coinvolga direttamente la Cdc424,9. In breve, Cdc42-GTP forma spontaneamente un cluster sulla membrana e quindi recluta un complesso che include il GEF Cdc249. Poiché Cdc24 attiva ulteriore Cdc42, il reclutamento di Cdc24 stimola l'accumulo di ulteriore Cdc42-GTP, chiudendo il feedback positivo9. I GAP Cdc42 inibiscono la crescita del cluster Cdc42 e possono essere parte di un feedback negativo9,15,16. Nel sistema alternativo, la migrazione unidirezionale delle cellule bastoncellari del batterio Myxococcus xanthus dipende dalla localizzazione della GTPasi MglA nel polo anteriore anteriore. In questo caso il feedback positivo non coinvolge MglA ma piuttosto il GAP MglB e lo scaffold RomR17. Alla fine, queste due proteine ​​stabiliscono un polo posteriore, in ritardo, con un’elevata attività GAP, lasciando solo il polo opposto libero di reclutare MglA-GTP17. Pertanto, entrambi i sistemi generano un singolo cluster Cdc42/MglA. Qui, ci concentriamo sulla base meccanicistica dello stabilimento della polarità in M. xanthus e sulle proprietà funzionali conferite dalla rete sottostante rispetto al circuito che determina la formazione del cluster Cdc42.