Sistema de partición de plásmidos

Un sistema de partición de plásmidos es un mecanismo que asegura la herencia estable de los plásmidos durante la división celular bacteriana . Cada plásmido tiene su propio sistema de replicación, que controla el número de copias del plásmido en una célula. Cuanto mayor sea el número de copias, mayor será la probabilidad de que las dos células hijas contengan el plásmido. Generalmente, cada molécula de plásmido se difunde aleatoriamente, por lo que la probabilidad de tener una célula hija sin plásmido es 2 ^1−N , donde N es el número de copias. Por ejemplo, si hay 2 copias de un plásmido en una célula, existe un 50 % de probabilidad de tener una célula hija sin plásmido. Sin embargo, los plásmidos con un alto número de copias suponen un coste para la célula huésped. Esta carga metabólica es menor para los plásmidos con un bajo número de copias, pero estos tienen una mayor probabilidad de pérdida del plásmido tras unas pocas generaciones. Para controlar la transmisión vertical de plásmidos, además de los sistemas de replicación controlada, los plásmidos bacterianos utilizan diferentes estrategias de mantenimiento, como sistemas de resolución de multímeros , sistemas de muerte post-segregacional (módulos de adicción) y sistemas de partición. ^{[ 1 ]}

Las copias del plásmido se emparejan alrededor de un sitio similar a un centrómero y luego se separan en las dos células hijas. Los sistemas de partición involucran tres elementos, organizados en un operón autorregulado : ^{[ 2 ]}

• Un sitio de ADN similar a un centrómero
• Proteínas de unión al centrómero (CBP)
• La proteína motora

El sitio de ADN similar al centrómero es necesario en cis para la estabilidad del plásmido. A menudo contiene una o más repeticiones invertidas que son reconocidas por múltiples CBP. Esto forma un complejo nucleoproteico denominado complejo de partición. Este complejo recluta la proteína motora , que es una nucleótido trifosfatasa (NTPasa). La NTPasa utiliza la energía de la unión e hidrólisis de NTP para mover y unir, directa o indirectamente, los plásmidos a ubicaciones específicas del huésped (por ejemplo, polos opuestos de la célula bacteriana).

Los sistemas de partición se dividen en cuatro tipos, basados ​​principalmente en el tipo de NTPasas: ^{[ 3 ] [ 4 ]}

• Tipo I  : ATPasa de bucle P tipo Walker
• Tipo II  : ATPasa similar a la actina
• Tipo III  : GTPasa similar a la tubulina
• Tipo IV  : Sin NTPasa

Este sistema también es utilizado por la mayoría de las bacterias para la segregación cromosómica . ^{[ 3 ]} Los sistemas de partición de tipo I están compuestos por una ATPasa que contiene motivos Walker y una CBP que es estructuralmente distinta en los tipos Ia e Ib. Las ATPasas y la CBP del tipo Ia son más largas que las del tipo Ib, pero ambas CBP contienen un dedo de arginina en su parte N-terminal. ^{[ 5 ] [ 1 ] [ 6 ]} Las proteínas ParA de diferentes plásmidos y especies bacterianas muestran entre un 25 y un 30 % de identidad de secuencia con la proteína ParA del plásmido P1 . ^{[ 7 ]} La partición del sistema de tipo I utiliza un mecanismo de "trinquete de difusión". Este mecanismo funciona de la siguiente manera: ^{[ 8 ]}

1. Los dímeros de ParA-ATP se unen dinámicamente al ADN nucleoide ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]}
2. ParA en su estado unido a ATP interactúa con ParB unido a parS ^{[ 13 ]}
3. ParB unido a parS estimula la liberación de ParA de la región nucleoide que rodea el plásmido ^{[ 14 ].}
4. El plásmido sigue entonces el gradiente de ParA resultante en el perímetro de la región del nucleoide que carece de ParA.
5. La ParA que se liberó del nucleoide detrás del movimiento del plásmido se redistribuye a otras regiones del nucleoide después de un retraso ^{[ 15 ].}
6. Tras la replicación del plásmido, las copias hermanas se segregan a mitades celulares opuestas mientras persiguen a ParA en el nucleoide en direcciones opuestas.

Es probable que existan diferencias en los detalles de los mecanismos de tipo I. ^{[ 6 ]}

La partición de tipo 1 se ha modelado matemáticamente con variaciones en el mecanismo descrito anteriormente. ^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}

Este sistema es el mejor comprendido del sistema de partición de plásmidos. ^{[ 6 ]} Está compuesto por una ATPasa similar a la actina, ParM, y una CBP llamada ParR. El sitio similar al centrómero, parC, contiene dos conjuntos de cinco repeticiones directas de 11 pares de bases separadas por el promotor parMR . La identidad de la secuencia de aminoácidos puede llegar hasta el 15% entre ParM y otras ATPasas similares a la actina. ^{[ 7 ] [ 22 ]}

El mecanismo de partición involucrado aquí es un mecanismo de empuje: ^{[ 23 ]}

1. ParR se une a parC y empareja plásmidos que forman un complejo nucleoproteico o complejo de partición.
2. El complejo de partición sirve como punto de nucleación para la polimerización de ParM; el complejo ParM-ATP se inserta en este punto y separa los plásmidos.
3. La inserción provoca la hidrólisis del complejo ParM-ATP, lo que lleva a la despolimerización del filamento.
4. En la división celular, las copias de plásmidos se encuentran en cada extremo de la célula y terminarán en la futura célula hija.

El filamento de ParM está regulado por la polimerización permitida por la presencia del complejo de partición (ParR- parC ) y por la despolimerización controlada por la actividad ATPasa de ParM.

El sistema de partición de tipo III es el sistema de partición descubierto más recientemente. Está compuesto por una GTPasa similar a la tubulina denominada TubZ, y la CBP se denomina TubR. La identidad de la secuencia de aminoácidos puede llegar hasta el 21% para las proteínas TubZ. ^{[ 7 ]}

El mecanismo es similar al de una cinta de correr: ^{[ 24 ]}

1. Múltiples dímeros de TubR se unen a la región similar al centrómero stbDRs de los plásmidos.
2. Contacto entre TubR y el filamento del polímero TubZ en proceso de polimerización. Las subunidades de TubZ se pierden del extremo negativo y se añaden al extremo positivo.
3. El complejo TubR-plásmido es arrastrado a lo largo del polímero en crecimiento hasta que alcanza el polo celular.
4. Es probable que la interacción con la membrana desencadene la liberación del plásmido.

El resultado final es el transporte del complejo de partición al polo celular.