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.
세균 세포 분열 동안, 필수적인 단백질 FtsZ는 소위 Z-고리를 형성하는 셀의 중앙에 모인다. FtsZ는 체외에서 GTP의 존재에 긴 필라멘트로 중합, 중합은 여러 액세서리 단백질에 의해 조절된다. FtsZ 중합 광범위하게 빛을 산란, 침강, GTP 가수 분해 분석 및 전자 현미경 등의 기본적인 방법을 사용하여 체외에서 연구되고있다. 버퍼 조건의 영향을 모두 FtsZ의 중합 특성 및 규제 단백질과 상호 작용하는 FtsZ의 능력. 여기, 우리는 FtsZ 중합 연구를위한 프로토콜을 설명하고 모델 단백질로 대장균과 바실러스 서브 틸리 스 (Bacillus subtilis) FtsZ를 사용 조건 및 컨트롤을 확인합니다. 저속 침강 분석법 FtsZ 중합체 동고 또는 관 모양 단백질 FtsZ의 상호 작용의 연구를 허용하는 도입된다. 개선 GTPase의 분석 프로토콜 테스트에게 허용하는에게 설명인산 검출 반응에서 발색 편차 폐지 표준화 인큐베이션 시간으로 96 – 웰 플레이트 셋업에서 여러 가지 조건을 사용하여 시간이 지남에 GTP 가수 분해. 광산란 연구 및 전자 현미경을위한 시료의 준비를 설명한다. 여러 버퍼가 FtsZ 중합 연구에 적합한 버퍼 pH와 염 농도를 설정하는 데 사용됩니다. 의 KCl의 높은 농도는 실험의 대부분을위한 최고입니다. 우리의 방법은 E.에서뿐만 FtsZ의 시험 관내 특성화를위한 시작점을 제공 대장균 및 B. 서브 틸리하지만 다른 박테리아에서. 이와 같이, 방법은 규제 단백질이나 FtsZ 중합에 영향을 미칠 수있는 약물의 항균 시험 FtsZ와의 상호 작용의 연구를 위해 사용될 수있다.
필수 박테리아 단백질 FtsZ는 세균 세포 분열 기계의 유용한 특성화 된 단백질이다. FtsZ는 튜 불린의 원핵 생물의 상동과 GTP 의존적으로 체외에서 중합. FtsZ 세균 1,2에 그것의 보존 특성과 고유성으로 인해 새로운 항생제에 대한 매우 매력적인 대상입니다. 세포 분열의 시작 부분에서, FtsZ 다른 세포 분열 단백질의 조립을위한 발판 역할을 midcell에서 cytokinetic 고리를 형성한다. Z-링의 형성은 분할면의 정확한 현지화에 대한 매우 중요합니다. FtsZ의 조립 역학은 이러한 밍크, SepF, 사파, UgtP, 에스라 2 (세균의 종류에 따라) 등 여러 가지 액세서리 단백질에 의해 조절된다. FtsZ 중합 집중적으로 체외 똑바로 protofilaments, 곡선 protofilaments, 필라멘트의 시트, 필라멘트의 다발과 필라멘트의 튜브 등 다양한 구조에서 공부 한 데 있었다조립 버퍼, 뉴클레오티드 및 분석 3에 포함 된 추가적인 단백질에 의존 cribed. Caulobacter의 crescentus의 전자 cryotomography 실험은 Z-링이 넓은 4 동고하지 않고 비교적 짧은, 비 연속 단일 protofilaments에서 조립하는 것이 좋습니다 있지만, 생체 내에서 FtsZ의 protofilaments의 구조는 아직 완전히 이해되지 않습니다.
체외에서 FtsZ의 중합 특성 및 규제 단백질과 FtsZ의 상호 작용에 반응 버퍼의 조성에 민감합니다. 예를 들어, 우리는 최근 FtsZ C-말단에 SepF의 상호 작용 사이트를 설명하고 FtsZ 모텔 Δ16 C-말단 잘라 내기가 더 이상 SepF 5에 바인딩 것을 보여 주었다. SepF-FtsZ 모텔의 상호 작용에 관한 이전의 연구에서 비슷한 FtsZ 모텔 Δ16는 여전히 SepF가 FtsZ에 보조 사이트에 바인딩 것을 제안 SepF와 cosedimented 절단 <suP> 6. 이러한 연구의 차이는 pH가 6.5에서 cosedimentation 있었다 반면 FtsZ의 잘라 내기와 SepF의 더 cosedimentation가 없었다 반응 버퍼 – 산도 7.5의 구성이었다. Gündoğdu 등. SepF이 작동하지 않습니다와 pH를 6.5에서 관찰 cosedimentation가 FtsZ 모텔 Δ16 C-말단 잘라 내기와 SepF의 침전이 아닌 상호 작용에 의해 발생 될 가능성이 있음을 보여주는, 산도 6.5 7에 침전 지적했다. FtsZ의 중합에 pH와의 KCl 농도의 영향은 이미 검토되었다. E.의 중합체 pH가 6.5에서 대장균 FtsZ (FtsZ 값 Ec)는 더 길고 풍부한 중성 pH 8,9 형성보다 있습니다. Tadros 등. K는 + 바인딩이 FtsZ 적 능력 중합에 연결하고 FtsZ 활동 (10)에 대한 매우 중요합니다 지적 가의 양이온의 존재 FtsZ 값 Ec의 중합을 공부했습니다. pH는 더 critica입니다SepF의 앞의 예와 FtsZ 11 밍크의 억제 효과의 pH 의존성에 의해 같이 다른 단백질과 FtsZ의 상호 작용, 연구되고 난. pH와 염 농도가 모두 다른 단백질 FtsZ의 상호 작용에 영향을 미칠 수있다, 그것은 FtsZ 중합 연구를위한 적절한 조건 및 컨트롤을 선택하는 것이 중요합니다.
여기에서 우리는 빛의 산란, 전자 현미경, 침강 및 GTPase의 분석 실험에 의해 FtsZ 중합 GTPase의 활성을 연구하기 위해 프로토콜을 설명합니다. 직각 광 산란 실시간 12 FtsZ 중합을 연구하는 표준 방법입니다. 우리는 침강 및 GTPase의 분석에 몇 가지 개선 사항을 소개했다. 우리는 빛의 산란 및 전자 현미경을 위해 샘플을 준비하는 방법에 대해 자세히 제시한다. FtsZ 중합을 연구 문헌에서 사용되는 몇 가지 버퍼를 테스트하고 우리는 각 실험에 가장 적합한 조건을 설명했다. 우리는 또한 있어야한다을 제어하는 표시가장 좋은 데이터를 얻기 위해 도입했다.
이러한 방법은 FtsZ 중합, 활동하고 간단한 방법과 대부분의 실험실에서 사용할 장비를 사용하는 다른 단백질과의 상호 작용의 빠른 연구를 할 수 있습니다. FtsZ 중합을 연구하는 더 정교한 방법이 존재하지만 종종 형광 라벨 8,13,14 더 전문 장비에 대한 액세스, 및 / 또는 FtsZ의 수정이 필요합니다. 이 문서에서 설명하는 간단한 방법은 B.에서 FtsZ를 사용하여 도시된다 서브 틸리와 E. 콜리, 가장 일반적인 그램 + 및 그람 모델 생물. 프로토콜은 다른 FtsZ 단백질에 적용 할 수있다. 이 소설 FtsZs, 시간에 대한 약간의 변경, 버퍼 또는 배양 온도 예비 분석을 바탕으로 최적의 결과를해야 할 수도 있습니다. 여기에 설명 된 실험은 이러한 최적의 조건을 찾는 데 도움이됩니다.
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 |