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.
Durante a divisão celular das bactérias, a proteína FtsZ essencial monta no meio da célula de modo a formar o chamado anel Z. FtsZ polimerize em filamentos longos na presença de GTP, in vitro, e a polimerização é regulado por várias proteínas acessórias. Polimerização FtsZ tem sido extensivamente estudada in vitro, utilizando métodos básicos, incluindo espalhamento de luz, sedimentação, GTP ensaios de hidrólise e microscopia eletrônica. A influência das condições de tampão ambas as propriedades de polimerização de FtsZ, e a capacidade de FtsZ para interagir com as proteínas reguladoras. Aqui, descrevemos os protocolos para os estudos de polimerização de FtsZ e validar as condições e controles utilizando Escherichia coli e Bacillus subtilis FtsZ como proteínas modelo. Um ensaio de sedimentação baixa velocidade é introduzido, que permite o estudo da interação de FtsZ com proteínas que empacotam ou tubulate polímeros de FtsZ. Um protocolo de ensaio melhorado GTPase é descrito que permite testarde hidrólise de GTP ao longo do tempo utilizando várias condições de uma instalação de placa de 96 poços, com tempos de incubação normalizadas que eliminam a variação no desenvolvimento da cor na reacção de detecção de fosfato. A preparação de amostras para estudos de espalhamento de luz e microscopia eletrônica é descrito. Vários tampões são utilizados para estabelecer pH adequado e concentração de sal para estudos de polimerização FtsZ. Uma alta concentração de KCI é a melhor para a maioria das experiências. Os nossos métodos de fornecer um ponto de partida para a caracterização em vitro de FtsZ, não só do E. coli e B. subtilis, mas a partir de qualquer outra bactéria. Como tal, os métodos podem ser utilizados para os estudos da interacção de FtsZ com proteínas reguladoras ou o teste de drogas antibacterianas, que podem afectar a polimerização FtsZ.
O FtsZ essencial proteína bacteriana é a melhor proteína caracterizado da máquina divisão celular bacteriana. FtsZ é o homólogo procariótico de tubulina polimeriza e in vitro, de um modo dependente de GTP. FtsZ é um alvo muito atraente para novos antibióticos, devido à sua natureza conservada e exclusividade para bactérias 1,2. No inicio da divisão celular, FtsZ forma um anel em cytokinetic midcell, que serve como suporte para a montagem de outras proteínas de divisão celular. A formação do anel Z é essencial para a correcta localização do plano de divisão. A dinâmica de montagem de FtsZ são regulados por diversas proteínas acessórias, tais como (dependendo das espécies bacterianas) MinC, SepF, ZapA, UgtP, e Esdras 2. Polimerização FtsZ tem sido intensivamente estudada in vitro e muitas estruturas diferentes, incluindo protofilamentos rectas, curvas protofilamentos, folhas de filamentos, feixes de filamentos e de tubos de filamentos têm sido descrita, dependendo do tampão de montagem, de nucleótidos, e as proteínas adicionais incluídos no ensaio 3. A arquitetura do protofilamentos FtsZ in vivo ainda não está totalmente compreendido, embora experimentos cryotomography elétron em Caulobacter crescentus sugerem que o anel Z é montado a partir, protofilamentos único descontínuos relativamente curtos sem extensa agregação 4.
In vitro, as propriedades de polimerização de FtsZ e a interacção de FtsZ com proteínas reguladoras são sensíveis à composição do tampão de reacção. Por exemplo, recentemente descrito para o sítio de interacção SepF na FtsZ C-terminal e que mostrou um truncamento do terminal C Δ16 FtsZ Bs já não se liga ao SepF 5. Em um estudo anterior sobre a interação SepF-FtsZ Bs, um semelhante FtsZ Bs Δ16 ainda truncamento cosedimented com SepF, que sugeriu que SepF se liga a um site secundário em FtsZ <sup> 6. A diferença entre estes estudos foi a composição de tampões de reacção em pH 7,5 não foi cosedimentation de SepF com o truncamento FtsZ, ao passo que a pH 6,5 não foi cosedimentation. Gündoğdu et al. notado que SepF não é funcional e precipita a um pH de 6,5 7, que mostra que o cosedimentation observada a pH 6,5, é susceptível de ser causada pela precipitação de SepF vez de interacção com o truncamento do terminal C Δ16 FtsZ Bs. A influência do pH e da concentração de KCl no polimerização de FtsZ foi anteriormente analisado. Polímeros de E. coli FtsZ (FtsZ Ec) a pH 6,5 são mais longos e mais abundantes do que os que são formados a 8,9 pH neutro. Tadros et al. estudaram a polimerização de FtsZ Ec na presença de cátions monovalentes lembrando que k + ligação está ligado a polimerização FtsZ Ec e é crucial para a atividade FtsZ 10. O pH é mais critical quando a interacção de outras proteínas com FtsZ é estudada, como mostrado pelo exemplo anterior de SepF, e a dependência do efeito inibitório do MinC em FtsZ pH 11. Como tanto o pH ea concentração de sal pode influenciar a interação entre FtsZ com outras proteínas, é importante escolher as condições adequadas e controles para os estudos de polimerização de FtsZ.
Aqui nós descrevemos os protocolos para estudar polimerização FtsZ e atividade GTPase por espalhamento de luz, microscopia eletrônica, sedimentação, e ensaios GTPase. Direita a dispersão da luz de ângulo é um método padrão para estudar polimerização FtsZ em tempo real 12. Introduzimos algumas melhorias para o ensaio de sedimentação e GTPase. Apresentamos em detalhes como preparar amostras para espalhamento de luz e microscopia eletrônica. Vários tampões utilizados na literatura para estudar polimerização FtsZ foram testados e descrevem-se as melhores condições para cada experimento. Mostramos também que controla deve serapresentado para a obtenção dos melhores dados.
Estes métodos permitem um estudo rápido de polimerização FtsZ, atividade e interação com outras proteínas, utilizando métodos e equipamentos que está disponível na maioria dos laboratórios simples. Existem métodos mais sofisticados para estudar polimerização FtsZ mas muitas vezes exigem acesso a equipamentos mais especializados, e / ou modificação de FtsZ com etiquetas fluorescentes 8,13,14. Os métodos simples descritos neste documento são ilustrados usando FtsZ de B. subtilis e E. coli, a organismos gram-modelo mais comum Gram + e. Os protocolos podem ser adaptados a qualquer outra proteína FtsZ. Com base em ensaios preliminares com estes novos FtsZs, pequenas mudanças em relação ao tempo, tampão ou temperatura de incubação pode ser necessário para um ótimo resultado. As experiências descritas aqui devem ajudar a encontrar estas condições ideais.
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 |