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质体细胞骨架 FtsZ 蛋白在光合生物中的保守动力学。

Conserved Dynamics of Chloroplast Cytoskeletal FtsZ Proteins Across Photosynthetic Lineages.

机构信息

Department of Plant Biology, Michigan State University, East Lansing, Michigan 48824.

Biochemistry and Molecular Biology Graduate Program, Michigan State University, East Lansing, Michigan 48824.

出版信息

Plant Physiol. 2018 Jan;176(1):295-306. doi: 10.1104/pp.17.00558. Epub 2017 Aug 16.

Abstract

The cytoskeletal Filamenting temperature-sensitive Z (FtsZ) ring is critical for cell division in bacteria and chloroplast division in photosynthetic eukaryotes. While bacterial FtsZ rings are composed of a single FtsZ, except in the basal glaucophytes, chloroplast division involves two heteropolymer-forming FtsZ isoforms: FtsZ1 and FtsZ2 in the green lineage and FtsZA and FtsZB in red algae. FtsZ1 and FtsZB probably arose by duplication of the more ancestral FtsZ2 and FtsZA, respectively. We expressed fluorescent fusions of FtsZ from diverse photosynthetic organisms in a heterologous system to compare their intrinsic assembly and dynamic properties. FtsZ2 and FtsZA filaments were morphologically distinct from FtsZ1 and FtsZB filaments. When coexpressed, FtsZ pairs from plants and algae colocalized, consistent with heteropolymerization. Fluorescence recovery after photobleaching experiments demonstrated that subunit exchange was greater from FtsZ1 and FtsZB filaments than from FtsZ2 and FtsZA filaments and that FtsZ1 and FtsZB increased turnover of FtsZ2 and FtsZA, respectively, from heteropolymers. GTPase activity was essential only for turnover of FtsZ2 and FtsZA filaments. Cyanobacterial and glaucophyte FtsZ properties mostly resembled those of FtsZ2 and FtsZA, though the glaucophyte protein exhibited some hybrid features. Our results demonstrate that the more ancestral FtsZ2 and FtsZA have retained functional attributes of their common FtsZ ancestor, while eukaryotic-specific FtsZ1 and FtsZB acquired new but similar dynamic properties, possibly through convergent evolution. Our findings suggest that the evolution of a second FtsZ that could copolymerize with the more ancestral form to enhance FtsZ-ring dynamics may have been essential for plastid evolution in the green and red photosynthetic lineages.

摘要

细胞骨架丝状温度敏感 Z(FtsZ)环对于细菌的细胞分裂和光合真核生物的叶绿体分裂至关重要。虽然细菌的 FtsZ 环由单个 FtsZ 组成,但除了基生蓝藻外,叶绿体分裂还涉及两种形成异源多聚体的 FtsZ 同工型:绿色谱系中的 FtsZ1 和 FtsZ2 以及红藻中的 FtsZA 和 FtsZB。FtsZ1 和 FtsZB 可能分别是由更古老的 FtsZ2 和 FtsZA 的复制产生的。我们在异源系统中表达了来自不同光合生物的 FtsZ 的荧光融合体,以比较它们的内在组装和动态特性。FtsZ2 和 FtsZA 纤维在形态上与 FtsZ1 和 FtsZB 纤维不同。当共表达时,来自植物和藻类的 FtsZ 对在空间上发生共定位,这与异源多聚化一致。光漂白后荧光恢复实验表明,FtsZ1 和 FtsZB 纤维的亚基交换大于 FtsZ2 和 FtsZA 纤维,并且 FtsZ1 和 FtsZB 分别增加了 FtsZ2 和 FtsZA 异源多聚体的周转率。GTPase 活性对于 FtsZ2 和 FtsZA 纤维的周转率是必不可少的。只有 FtsZ2 和 FtsZA 纤维的 GTPase 活性是必需的。蓝藻和基生蓝藻的 FtsZ 性质大多类似于 FtsZ2 和 FtsZA,但蓝藻蛋白表现出一些混合特征。我们的研究结果表明,更古老的 FtsZ2 和 FtsZA 保留了它们共同的 FtsZ 祖先的功能属性,而真核生物特有的 FtsZ1 和 FtsZB 获得了新的但相似的动态特性,可能是通过趋同进化。我们的发现表明,进化出第二种可以与更古老的形式共聚以增强 FtsZ 环动力学的 FtsZ 可能对于绿色和红色光合谱系中的质体进化至关重要。

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