Über die Mechanismen der Selbstorganisation der bakteriellen Proteine MinD und MinE sowie der Proteinkinase PKCα

Abstract

Es existieren viele faszinierende Beispiele von Musterbildung in biologischen Systemen. Es wird seit langem vermutet, dass physikalische Mechanismen eine wichtige Rolle in der Bildung dieser Muster spielen. In dieser Arbeit verwenden wir Konzepte der Physik von Systemen außerhalb des thermodynamischen Gleichgewichts um die komplexen raumzeitlichen Muster der bakteriellen Proteine MinD und MinE und der Proteinkinase Cα (PKCα) zu untersuchen. Die Min Proteine organisieren sich im Bakterium in eine stehende Welle mit einem Knoten im Zentrum der Zelle, wodurch die Mitte der Zelle als Ort der Zellteilung ausgewählt wird. Wächst das Bakterium, verändert sich das Muster in einer laufende Welle, bevor es sich wieder in eine stehende Welle mit zwei Knoten kehrt. In kleinen Zellen mit einer leichten Überexpression, schalten die Min Proteine stochastisch zwischen den beiden Zellhälften. In vitro organisieren sich die Proteine in laufende Wellen. Jüngste Untersuchungen konnten zeigen, dass neben MinD auch MinE an die Membran binden kann. Wir zeigen unter Berücksichtigung dieser Erkenntnis mit Hilfe einer theoretischen Beschreibung, dass wir alle bis dato bekannten Muster der Min-Proteine in vivo und in vitro reproduzieren können. Mit Hilfe von theoretischen Untersuchungen und Förster-Resonanzenergietransfer Messungen in lebenden Zellen konnten wir zeigen, dass die ubiquitär exprimierte Proteinkinase PKCα nach einem Anstieg der intrazellulären Calcium Konzentration, Cluster auf der Plasmamembran bildet. Unsere Untersuchungen zeigen weiter, dass die Cluster Bildung zu einem Anstieg der Effizienz der PKCα vermittelten Phosphorylierung führt und dies ein wichtiger Aspekt in der Calcium Signalübertragung darstellen könnte.

There are many fascinating examples of pattern formation in biological systems. Physical mechanisms are long assumed to play an important role in the process of their formation. Here, we employ concepts from the physics of systems out of thermodynamic equilibrium to investigate the complex spatio-temporal patterns formed by the bacterial proteins MinD and MinE and by the protein kinase Cα (PKCα). In a bacterium, the Min proteins self-organize into a standing wave with a single node in the cell center, thereby selecting the cell center as division site. If the bacterium grows longer, the pattern changes first into a traveling wave before it turns into a standing wave with two nodes. In small cells, after a moderate over-expression, the Min proteins switch stochastically between the two cell halves. In vitro, the Min proteins self-organize into traveling waves. Recent investigations could show that in addition to MinD, MinE can also bind to the membrane. We show that by accounting for this finding in a computational model, we can comprehensively describe all observed Min-protein patterns in vivo and in vitro. Through a computational analysis and Förster Resonance Energy Transfer measurements in living cells, we unveiled that the ubiquitously expressed protein kinase PKCα forms clusters on the plasma membrane after an increase in the calcium level. Our analysis shows that cluster formation can lead to an increase in the efficiency of PKCα-mediated phosphorylation and might be an important aspect of calcium signalling.