冗長ホスファターゼによる細菌の細胞周期進行の制御

Regulation of bacterial cell cycle progression by redundant phosphatases.

• Jérôme Coppine
• Andreas Kaczmarczyk
• Kenny Petit
• Thomas Brochier
• Urs Jenal
• Régis Hallez

抄録

モデル生物では、応答調節因子であるCtrA、DivK、PleDを含む2成分系のネットワークが、細胞周期の進行と分化を調整している。活性なリン酸化された CtrA は、G1 細胞における染色体の複製を防ぐと同時に、形態形成と発生に必要な遺伝子の発現を制御しています。G1-S期では、リン酸化されたDivK（DivK〜P）とPleD（PleD〜P）が蓄積してCtrAを間接的に不活性化し、DNA複製の開始とそれに伴う細胞の分化を促します。リン酸化酵素PleCは、G1の間にDivKとPleDのリン酸化レベルを低く保ち、CtrAの早期不活性化を防ぐことで、この発生プログラムに重要な役割を果たしています。ここでは、PleCに似た第二のホスファターゼであるCckNがG1細胞内でDivK〜PとPleD〜Pを脱リン酸化することを明らかにした。しかし、PleCとは対照的に、CckNではキナーゼ活性は検出されなかった。CckNの不活性化の影響はPleCによって大きく隠蔽されているが、PleCとDivKとPleDの主要なキナーゼであるDivJが存在しない場合に明らかになる。したがって、CckNを軽度に過剰発現させると、ヌル変異体のほとんどの表現型の欠損が回復することがわかった。また、CckNとPleCは、S期の発症前にClpXPに依存した方法でタンパク質分解されることを示した。驚くべきことに、既知のClpXアダプターは、PleCとCckNのタンパク質分解のために無効であり、まだ未確認のタンパク質分解アダプターは、両方のホスファターゼの分解に必要とされる可能性を提起している。また、CckN の発現はストレスアラーム(p)ppGpp に依存して定常状態で誘導されることから、CckN は環境刺激に応答する補助因子として機能し、最適でない条件下で CtrA の活性を調節していることが示唆された。二成分シグナル伝達系は、細胞周期を含む細胞パラメータを調整することで環境変化に適切に応答するために、細菌によって広く利用されている。このシステムでは、PleC はホスファターゼとして作用し、細胞周期の G1 期の間に応答調節因子 CtrA の早期不活性化から間接的に保護している。ここでは、PleC が別のホスファターゼである CckN によって補助されていることを、遺伝学的および生化学的に証明しています。PleCとCckNホスファターゼの活性は、両方のタンパク質がG1-S移行前にClpXPプロテアーゼによってタイムリーに分解されるため、G1相に限定されています。分解は、既知のタンパク質分解アダプターとは独立しており、CckNの場合には、推定されていないN末端デグロンに依存しています。私たちの研究は、二成分タンパク質間の冗長機能の典型的な例を示しています。

In the model organism , a network of two-component systems involving the response regulators CtrA, DivK and PleD coordinate cell cycle progression with differentiation. Active phosphorylated CtrA prevents chromosome replication in G1 cells while simultaneously regulating expression of genes required for morphogenesis and development. At the G1-S transition, phosphorylated DivK (DivK∼P) and PleD (PleD∼P) accumulate to indirectly inactivate CtrA, which triggers DNA replication initiation and concomitant cellular differentiation. The phosphatase PleC plays a pivotal role in this developmental program by keeping DivK and PleD phosphorylation levels low during G1, thereby preventing premature CtrA inactivation. Here, we describe CckN as a second phosphatase akin to PleC that dephosphorylates DivK∼P and PleD∼P in G1 cells. However, in contrast to PleC, no kinase activity was detected with CckN. The effects of CckN inactivation are largely masked by PleC, but become evident when PleC and DivJ, the major kinase for DivK and PleD, are absent. Accordingly, mild overexpression of restores most phenotypic defects of a null mutant. We also show that CckN and PleC are proteolytically degraded in a ClpXP-dependent way before the onset of the S phase. Surprisingly, known ClpX adaptors are dispensable for PleC and CckN proteolysis, raising the possibility that as yet unidentified proteolytic adaptors could be required for the degradation of both phosphatases. Since expression is induced in stationary phase, depending on the stress alarmone (p)ppGpp, we propose that CckN acts as an auxiliary factor responding to environmental stimuli to modulate CtrA activity under suboptimal conditions. Two-component signal transduction systems are widely used by bacteria to adequately respond to environmental changes by adjusting cellular parameters, including cell cycle. In , PleC acts as a phosphatase that indirectly protects the response regulator CtrA from premature inactivation during the G1 phase of the cell cycle. Here, we provide genetic and biochemical evidence that PleC is seconded by another phosphatase, CckN. The activity of PleC and CckN phosphatases is restricted to G1 phase since both proteins are timely degraded by ClpXP protease before the G1-S transition. Degradation is independent of any known proteolytic adaptors and relies, in the case of CckN, on an unsuspected N-terminal degron. Our work illustrates a typical example of redundant functions between two-component proteins.

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