On the role of nucleotides and lipids in the polymerization of the actin homolog MreB from a Gram-positive bacterium
Sur le rôle des nucléotides et des lipides dans la polymérisation de l’homologue d’actine MreB d’une bactérie à Gram positif
Résumé
In vivo , bacterial actin MreB assembles into dynamic membrane-associated filamentous structures that exhibit circumferential motion around the cell. Current knowledge of MreB biochemical and polymerization properties in vitro remains limited and is mostly based on MreB proteins from Gram-negative species. In this study, we report the first observation of organized protofilaments by electron microscopy and the first 3D-structure of MreB from a Gram-positive bacterium. We show that Geobacillus stearothermophilus MreB forms straight pairs of protofilaments on lipid surfaces in the presence of ATP or GTP, but not in the presence of ADP, GDP or non-hydrolysable ATP analogs. We demonstrate that membrane anchoring is mediated by two spatially close short hydrophobic sequences while electrostatic interactions also contribute to lipid binding, and show that the population of membrane-bound protofilament doublets is in steady-state. In solution, protofilament doublets were not detected in any condition tested. Instead, MreB formed large sheets regardless of the bound nucleotide, albeit at a higher critical concentration. Altogether, our results indicate that both lipids and ATP are facilitators of MreB polymerization, and are consistent with a dual effect of ATP hydrolysis, in promoting both membrane binding and filaments assembly/disassembly.
MreB, homologue bactérien de l’actine, forme in vivo des structures filamenteuses mobiles associées à la membrane qui tournent autour de la cellule. Les connaissances actuelles sur les propriétés biochimiques et la capacité de polymérisation in vitro de MreB restent cependant limitées. De plus, elles reposent presque exclusivement sur les protéines MreB d'espèces à Gram négatif. Dans cette étude, nous avons obtenu les premières observations en microscopie électronique de protofilaments organisés et la première structure 3D d’un protéine de type MreB d'une bactérie à Gram-positif. Nous avons montré que MreB de Geobacillus stearothermophilus, en présence d'ATP ou de GTP (mais pas en présence d'ADP, de GDP ou d'analogues d'ATP non hydrolysables) forme des paires de protofilaments droits sur des surfaces lipidiques ; que cette association aux lipides est favorisée par des interactions électrostatiques et est médiée par deux courtes séquences hydrophobes spatialement proches ; et enfin que les doublets de protofilaments observés à la surface des membranes sont dans un état d'équilibre dynamique. Par contre, en solution, MreB ne forme pas de doublets de protofilaments dans aucune des conditions testées, mais de larges feuillets sont observables bien qu'à des concentrations protéiques plus élevées. En résumé, nos résultats montrent que les lipides et l'ATP/GTP facilitent la polymérisation de MreB, et suggèrent un double effet de l'hydrolyse du nucleotide, lequel favoriserait à la fois la liaison de la protéine à la membrane et l'assemblage/désassemblage des filaments