Base molecular e princípios de design da frente comutável

Nature Communications volume 14, número do artigo: 4056 (2023) Citar este artigo

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Durante a migração celular, a polaridade frontal-traseira é regulada espaço-temporalmente; no entanto, o desenho subjacente das interações regulatórias varia. Nas células de Myxococcus xanthus em forma de bastonete, uma chave seletora espacial regula dinamicamente a polaridade frontal-traseira. O módulo de polaridade estabelece a polaridade frontal-traseira, garantindo a localização do pólo frontal da pequena GTPase MglA. Por outro lado, o sistema quimiossensorial Frz, ao atuar no módulo de polaridade, causa inversões de polaridade. A localização de MglA depende dos complexos RomR/RomX GEF e MglB/RomY GAP que se localizam assimetricamente nos pólos por mecanismos desconhecidos. Aqui, mostramos que RomR e as proteínas do domínio roadblock MglB e MglC geram um feedback positivo formando um complexo RomR / MglC / MglB, estabelecendo assim o pólo traseiro com alta atividade GAP que não é permissiva ao MglA. MglA na frente se envolve em feedback negativo que quebra o feedback positivo RomR/MglC/MglB alostericamente, garantindo assim baixa atividade de GAP neste pólo. Essas descobertas desvendam os princípios de design de um sistema para polaridade dianteira-traseira comutável.

A polaridade celular com a localização assimétrica de proteínas no espaço celular é onipresente e fundamental para muitas funções celulares, incluindo crescimento e motilidade1,2,3. No entanto, como a polaridade emerge em escala celular a partir de interações proteínas-proteínas locais e como ela é controlada dinamicamente é pouco compreendida. Os reguladores de polaridade são frequentemente conectados para gerar redes que incluem feedback positivo, feedback negativo e/ou inibição mútua2,4,5,6,7. Na regulação transcricional, está bem estabelecido que diferentes designs de circuitos reguladores podem resultar em resultados funcionalmente equivalentes, por exemplo, duplo-negativo é funcionalmente equivalente à regulação duplo-positiva8. Da mesma forma, redes reguladoras de polaridade com resultados funcionalmente equivalentes podem ter designs diferentes, levantando a questão de por que um design de rede específico foi selecionado.

Um tema recorrente nos sistemas reguladores de polaridade é a localização da forma ativa ligada ao GTP de uma pequena GTPase em um único local intracelular6,7,9,10,11,12. A GTPase, por sua vez, interage com efetores downstream para implementar uma resposta específica. Essas GTPases são interruptores moleculares que alternam entre uma conformação inativa, ligada ao GDP, e uma conformação ativa, ligada ao GTP . O ciclo de ativação/desativação é regulado por um fator de troca cognato guanina-nucleotídeo (GEF), que facilita a troca de GDP por GTP, e uma proteína ativadora de GTPase (GAP), que estimula a baixa atividade intrínseca de GTPase . Dois sistemas experimental e teoricamente bem estudados ilustram como redes reguladoras de polaridade com designs diferentes podem resultar em resultados equivalentes. Em Saccharomyces cerevisiae sem a pequena GTPase Rsr1, a localização do local do botão único depende de onde a GTPase Cdc42 forma espontaneamente um único aglomerado na membrana. A rede reguladora responsável centra-se em pelo menos um feedback positivo envolvendo diretamente o Cdc424,9. Resumidamente, o Cdc42-GTP forma espontaneamente um aglomerado na membrana e depois recruta um complexo que inclui o GEF Cdc249. Como o Cdc24 ativa Cdc42 adicional, o recrutamento de Cdc24 estimula o acúmulo de Cdc42-GTP adicional, fechando o feedback positivo9. Os GAPs Cdc42 inibem o crescimento do cluster Cdc42 e podem fazer parte de um feedback negativo . No sistema alternativo, a migração unidirecional das células em forma de bastonete da bactéria Myxococcus xanthus depende da localização da GTPase MglA no pólo frontal principal. Neste caso, o feedback positivo não envolve o MglA, mas sim o GAP MglB e o andaime RomR . Em última análise, estas duas proteínas estabelecem um pólo traseiro atrasado com alta atividade de GAP, deixando apenas o pólo oposto livre para recrutar MglA-GTP17. Assim, ambos os sistemas geram um único cluster Cdc42/MglA. Aqui, nos concentramos na base mecanística do estabelecimento da polaridade em M. xanthus e nas propriedades funcionais conferidas pela rede subjacente em comparação com o circuito que provoca a formação do cluster Cdc42.