Diffusion and capture permits dynamic coupling between treadmilling FtsZ filaments and cell division proteins

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作者
Natalia Baranova,Philipp Radler,Víctor M. Hernández-Rocamora,Carlos Alfonso,Mar López-Pelegrín,Germán Rivas,Waldemar Vollmer,Martin Loose
出处
期刊:Nature microbiology 卷期号:5 (3): 407-417 被引量:42
标识
DOI:10.1038/s41564-019-0657-5
摘要

Most bacteria accomplish cell division with the help of a dynamic protein complex called the divisome, which spans the cell envelope in the plane of division. Assembly and activation of this machinery are coordinated by the tubulin-related GTPase FtsZ, which was found to form treadmilling filaments on supported bilayers in vitro1, as well as in live cells, in which filaments circle around the cell division site2,3. Treadmilling of FtsZ is thought to actively move proteins around the division septum, thereby distributing peptidoglycan synthesis and coordinating the inward growth of the septum to form the new poles of the daughter cells4. However, the molecular mechanisms underlying this function are largely unknown. Here, to study how FtsZ polymerization dynamics are coupled to downstream proteins, we reconstituted part of the bacterial cell division machinery using its purified components FtsZ, FtsA and truncated transmembrane proteins essential for cell division. We found that the membrane-bound cytosolic peptides of FtsN and FtsQ co-migrated with treadmilling FtsZ–FtsA filaments, but despite their directed collective behaviour, individual peptides showed random motion and transient confinement. Our work suggests that divisome proteins follow treadmilling FtsZ filaments by a diffusion-and-capture mechanism, which can give rise to a moving zone of signalling activity at the division site. The use of an in vitro system in which key proteins involved in cell division are attached to supported lipid bilayers reveals that membrane-bound cytosolic peptides of FtsN and FtsQ co-migrate with treadmilling FtsZ–FtsA filaments via a diffusion-and-capture mechanism, elucidating how FtsZ dynamics regulate the distribution of peptidoglycan synthases.
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