Caulobacter crescentusの鞭毛極の発達におけるリン酸化の局在と速度論の相互作用

細菌細胞は、信号増幅、刺激に対する反応、細胞分裂、およびその他の多くの重要なプロセスを可能にする細胞内組織の洗練されたレベルを維持しています。局所化の根底にあるメカニズムとフィットネスへの貢献は、体系的に乱れた局所化と正常な酵素活性を持つミュータントを作成することが多いため、微妙な表現型の変化を解釈するための定量的モデルの欠如のために、明らかにするのが困難でした。タンパク質リン酸化の基礎となる非対称分布から2つの異なるタイプの娘細胞を生成するモデルバクテリアCaulobacter crescentusに焦点を当て、数学モデリングを使用して、細胞の非対称性とその後の発達転帰の確立へのヒスチジンキナーゼの局在の寄与を調査します。既存の変異体の表現型と蛍光データを使用して、キナーゼPLECとDIVJの反応拡散モデルとその同族反応レギュレーターDIVKをパラメーター化します。次に、タンパク質の局在化と存在量の変化の影響に関する体系的な計算分析を提示して、Caulobacterの正しい発達タイミングにPLECの局在が必要かどうかを判断します。我々のモデルは、いくつかの局所化変異体の発達表現型を予測し、PLECとDIVJの共局在化を伴う新規株が鞭毛極の発達に必要なシグナル閾値について定量的な洞察を提供できることを示唆しています。私たちの分析は、通常の発達は、広範囲の局在表現型を通じて維持できることを示しており、PLECの局在化の変化による発達障害は、PLEC発現の増加によって救助される可能性があることを示しています。また、システムが運動パラメーターの摂動に対して著しく堅牢であり、PLECまたはDIVJのいずれかの局在が非対称開発に必要であるが、これら2つのコンポーネントのいずれかの非局在化は鞭毛極の発達を妨げません。さらに、in vitroで観察されたPLECのアロステリック調節は、予測されるin vivo発生表現型に影響を与えないことがわかります。まとめると、私たちのモデルは、細胞が摂動を局在化表現型に耐えることができることを示唆しています。その進化的起源は、タンパク質の発現の還元または分割前および分割後の表現型の分離に関連している可能性があります。

Bacterial cells maintain sophisticated levels of intracellular organization that allow for signal amplification, response to stimuli, cell division, and many other critical processes. The mechanisms underlying localization and their contribution to fitness have been difficult to uncover, due to the often challenging task of creating mutants with systematically perturbed localization but normal enzymatic activity, and the lack of quantitative models through which to interpret subtle phenotypic changes. Focusing on the model bacterium Caulobacter crescentus, which generates two different types of daughter cells from an underlying asymmetric distribution of protein phosphorylation, we use mathematical modeling to investigate the contribution of the localization of histidine kinases to the establishment of cellular asymmetry and subsequent developmental outcomes. We use existing mutant phenotypes and fluorescence data to parameterize a reaction-diffusion model of the kinases PleC and DivJ and their cognate response regulator DivK. We then present a systematic computational analysis of the effects of changes in protein localization and abundance to determine whether PleC localization is required for correct developmental timing in Caulobacter. Our model predicts the developmental phenotypes of several localization mutants, and suggests that a novel strain with co-localization of PleC and DivJ could provide quantitative insight into the signaling threshold required for flagellar pole development. Our analysis indicates that normal development can be maintained through a wide range of localization phenotypes, and that developmental defects due to changes in PleC localization can be rescued by increased PleC expression. We also show that the system is remarkably robust to perturbation of the kinetic parameters, and while the localization of either PleC or DivJ is required for asymmetric development, the delocalization of one of these two components does not prevent flagellar pole development. We further find that allosteric regulation of PleC observed in vitro does not affect the predicted in vivo developmental phenotypes. Taken together, our model suggests that cells can tolerate perturbations to localization phenotypes, whose evolutionary origins may be connected with reducing protein expression or with decoupling pre- and post-division phenotypes.