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.
Bakteriyel hücre bölünmesi esnasında, esas teşkil eden protein FtsZ sözde Z-halka oluşturmak için hücre ortasında toplanır. FtsZ in vitro GTP varlığında, uzun lifler halinde polimerize ve polimerizasyon çeşitli aksesuar proteinler tarafından düzenlenir. FtsZ polimerizasyon yaygın ışık saçılımı, sedimantasyon, GTP hidroliz deneyleri ve elektron mikroskopi dahil olmak üzere temel yöntemler kullanılarak in vitro incelenmiştir. Tampon koşullar etkisi de her iki FtsZ polimerizasyon özellikleri ve düzenleyici proteinlerle etkileşime FtsZ yeteneği. Burada, biz FtsZ polimerizasyon çalışmalar için protokol tanımlamak ve model proteinler olarak Escherichia coli ve Bacillus subtilis FtsZ kullanarak koşulları ve denetimleri doğrulamak. Bir düşük hızlı çökelme tahlili FtsZ polimerleri paket ya tubulate proteinlerle FtsZ etkileşimi çalışma sağlayan sokulur. Geliştirilmiş bir GTPaz deney protokolü test edilmesine olanak tarif edilmektedirfosfat saptama tepki olarak renk gelişimi varyasyonu kaldırılması standart enkübasyon süreleri ile 96 oyuklu bir plaka kurulumu, çeşitli koşullar kullanılarak, zaman içinde GTP hidrolizinin. Işık saçılması çalışmaları ve elektron mikroskopisi için numunelerin hazırlanması tarif edilmektedir. Çeşitli tamponlar FtsZ polimerizasyon çalışmalar için uygun tampon ve pH, tuz konsantrasyonunu belirlemek için kullanılır. KCl yüksek bir konsantrasyonu, deneylerin büyük bir kısmında en iyisidir. Bizim yöntemleri E. değil sadece FtsZ in vitro karakterizasyonu için bir başlangıç noktası sağlar coli ve B. subtilis ama başka bir bakteriden. Bu nedenle, bu buluşun metodları düzenleyici proteinler veya FtsZ polimerizasyonu etkileyen antibakteriyel ilaçların test ile FtsZ etkileşimi çalışmaları için kullanılabilir.
Esansiyel bakteriyel protein FtsZ bakteriyel hücre bölünmesi makine en iyi karakterize edilmiş bir proteindir. FtsZ tubulin prokaryotik homolog olan ve bir GTP bağlı bir şekilde, in vitro olarak polimerize eder. FtsZ bakteri 1,2 onun korunmuş doğası ve teklik nedeniyle yeni antibiyotik için çok cazip bir hedeftir. Hücre bölünmesi başında, FtsZ diğer hücre bölünmesi proteinlerin montajı için bir yapı iskelesi olarak hizmet midcell bir cytokinetic halka oluşturur. Z-halka oluşumu bölme düzlemi doğru lokalizasyonu için çok önemlidir. FtsZ montajı dinamikleri gibi Minc, SepF, Zapa, UgtP, ve Ezra 2 (bakteri türlerine bağlı olarak) gibi çeşitli aksesuar proteinler tarafından düzenlenir. FtsZ polimerizasyon yoğun in vitro ve protofilaments düz, kavisli protofilaments, filament levha, filaman demetleri ve filament tüpler dahil olmak üzere, pek çok farklı yapılarda incelenmiştir des olmuşturmontaj tampon, nükleotid ve deneyde 3 dahil ek protein bağlı cribed. Caulobacter crescentus elektron cryotomography deneyler Z-halkası geniş 4 donatılacak olmadan nispeten kısa, kesintili tek protofilaments monte edilir olduğunu göstermektedir rağmen in vivo FtsZ protofilaments mimarisi henüz tam olarak anlaşılmış değildir.
İn vitro olarak, FtsZ polimerizasyon özellikleri ve düzenleyici proteinleri ile FtsZ etkileşimi reaksiyon tampon bileşimine duyarlıdır. Örneğin, son zamanlarda FtsZ C-terminüsünde SepF için etkileşim sitesi tarif edilen ve bir FtsZ Δ16 arasında C-terminal kesik artık SepF 5 bağlandığını göstermiştir. SepF-FtsZ İşletmeleri etkileşim önceki bir çalışmada, benzer bir FtsZ İşletmeleri Δ16 hala SepF FtsZ üzerinde ikincil bir siteye bağlanan önerdi SepF ile cosedimented kesilmesinden <sup> 6. Bu çalışmalar arasındaki fark, pH 6.5 'te cosedimentation yoktu, oysa FtsZ kesik ile SepF hiçbir cosedimentation vardı, tepkime tampon-at pH 7.5 terkibiydi. Gündoğdu et al. SepF fonksiyonel değildir ve pH 6.5 'de görülen cosedimentation FtsZ Δ16 arasında C-terminal kesik ile SepF çökelmesi yerine etkileşimin neden olması muhtemel olduğunu gösteren, pH 6.5 7 çökeltilerini kaydetti. FtsZ polimerizasyonu pH ve KCl konsantrasyonunun etkisi daha önce incelenmiştir. E. polimerleri pH 6.5 coli FtsZ (FtsZ Ec) daha uzun ve daha bol nötr pH 8,9 oluşmuş daha vardır. Tadros et al. K + bağlayıcı FtsZ Ec polimerizasyonu ile bağlantılı ve FtsZ aktivitesi 10 için çok önemli olduğunu belirterek tek değerli katyonların mevcudiyetinde FtsZ Ec polimerizasyonunu inceledik. PH daha critica olduğuSepF önceki örnek ve FtsZ 11 MINC inhibitör etkisinin pH bağımlılığı ile gösterildiği gibi diğer proteinler ile FtsZ etkileşimi, incelenmiştir l. PH ve tuz konsantrasyonu hem de diğer proteinler ile FtsZ etkileşimini etkileyebilir gibi, bu FtsZ polimerizasyon çalışmaları için doğru koşulları ve kontrolleri seçmek önemlidir.
Burada ışık saçılması, elektron mikroskobu, sedimantasyon ve GTPaz deneyleri ile FtsZ polimerizasyonu ve GTPaz aktivitesini incelemek için protokolleri açıklanmıştır. Sağ açılı ışık dağılımı gerçek zamanlı 12 FtsZ polimerizasyon okumak için standart bir yöntemdir. Biz sedimantasyon ve GTPaz tahlil için birkaç iyileştirmeler tanıttı. Biz ışık saçılması ve elektron mikroskobu için numune hazırlamak için nasıl ayrıntılı olarak mevcut. FtsZ polimerizasyonu çalışma literatürde kullanılan çeşitli tamponlar test ve her deney için en iyi şartları tarif edilmiştir. Biz de olmalıdır kontrol eden göstermeken iyi veri elde etmek tanıttı.
Bu yöntemler FtsZ polimerizasyon aktivitesi ve basit bir yöntem ve en laboratuvarlarda mevcuttur ekipman kullanılarak başka proteinlerle etkileşim hızlı bir çalışma sağlar. FtsZ polimerizasyonu incelemek için daha sofistike yöntemler var ama genellikle floresan etiketleri 8,13,14 ile daha özel ekipmana erişim ve / veya FtsZ değiştirilmesini gerektirir. Bu yazıda anlatılan basit yöntemler B. FtsZ kullanılarak gösterilmektedir subtilis ve E. coli, en yaygın Gram + ve Gram-model organizmalar. Protokoller başka FtsZ proteine uyarlanabilir. Bu yeni FtsZs, zaman ile ilgili olarak küçük değişiklikler, tampon veya inkübasyon sıcaklığı ile ön deneylere dayalı olarak bir optimum bir sonuç için gerekli olabilir. Burada açıklanan deneyler bu en uygun koşulları bulmakta yardımcı olmalıdır.
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 |