Rôle mécanistique de SepF dans la division cellulaire

Les bactéries et les archées se divisent par fission binaire. La protéine FtsZ, homologue de la tubuline eucaryote, est responsable du placement de l'anneau Z au futur site de division cellulaire. Cet anneau fonctionne comme un échafaudage régulateur car il participe au recrutement d'autres protéines de la division cellulaire et des enzymes liées à la synthèse du peptidoglycane. FtsZ nécessite des protéines accessoires qui contribuent à son emplacement, son assemblage et sa liaison à la membranaire. La plupart des protéines qui interagissent avec FtsZ se lient à son domaine C-terminal conservé (CTD). Malgré sa découverte il y a plus de 25 ans, l'organisation, la régulation et la dynamique de l'anneau Z ne sont pas entièrement caractérisées, notamment chez les organismes non modèles. La protéine FtsA est le principal facteur d'ancrage de FtsZ à la membrane dans des organismes modèles tels que Escherichia coli et Bacillus subtilis, cependant, elle n'est pas présente dans certains groupes de bactéries ou d'archées. Ici, nous avons caractérisé la structure et la fonction de la protéine SepF, qui est conservée dans les bactéries Gram-positives et les archées et qui a un certain degré de chevauchement fonctionnel avec FtsA. Nous avons utilisé comme organismes modèles Corynebacterium glutamicum et Methanobrevibacter smithii dont les génomes ne codent pas pour un homologue FtsA. SepF a été décrit comme un composant non essentiel de la machinerie de division cellulaire tardive (le divisome) chez B. subtilis. Notre travail montre que dans C. glutamicum SepF est un élément essentiel du divisome montrant une interdépendance avec FtsZ pour sa liaison membranaire et sa localisation. Nous avons cristallisé SepF avec FtsZ-CTD révélant une poche hydrophobe qui définit l'homodimère SepF. De plus, la structure suggère une interface de polymérisation réversible, régulée par un commutateur à hélice alpha. Nos travaux montrent également que la liaison des lipides et l'interaction avec FtsZ ont des effets opposés sur la polymérisation de SepF. Ainsi, nous démontrons que chez C. glutamicum, SepF joue un rôle complexe lors de la division cellulaire car il participe à l'ancrage de FtsZ à la membrane, favorise que les filaments FtsZ forment un faisceau et contribue au remodelage lipidique. La division en archées reste encore énigmatique et on sait très peu de choses sur l'organisation moléculaire et la régulation de FtsZ. Fait intéressant, FtsA n'est pas présent et SepF coexiste avec FtsZ. Ici, nous montrons que la copie unique de FtsZ dans le génome de M. smithii forme un anneau au site de constriction de la cellule, suggérant que FtsZ joue un rôle actif pendant la division cellulaire. SepF des archées interagit également avec FtsZ, comme en témoigne notre structure à haute résolution, et probablement aussi avec les membranes, indiquant que SepF représente également le facteur d'ancrage de FtsZ à la membrane des archées. Une comparaison approfondie entre les structures SepF des archées et des bactéries a révélé des différences dans l'interface du dimère et dans le site de liaison FtsZ. De plus, toutes les structures SepF des archées ne montrent pas d'organisation polymérique dans leurs cristaux, ce qui suggère que la polymérisation de SepF dans les archées peut être différente de celle observée précédemment chez les bactéries. Enfin, une analyse évolutive approfondie de la distribution et de la phylogénie de SepF montre clairement une ségrégation entre les homologues de SepF des archées et des bactéries, indiquant une évolution indépendante qui correspond bien à leurs différences structurelles. Une distribution très similaire a été observée pour FtsZ, indiquant que les deux protéines prennent leur origine avant la divergence entre les bactéries et les archées et, probablement, représentent un élément crucial dans la machinerie de division cellulaire du dernier ancêtre commun universel.Bacteria and Archaea divide by binary fission. FtsZ, the homolog of the eukaryotic tubulin, drives cell division by placing a ring-like structure (Z-ring) at mid-cell which acts as a regulatory scaffold to recruit other cell division proteins and peptidoglycan-related enzymes. FtsZ requires additional proteins for the correct localization, assembly and tethering to the membrane, most of which interact with FtsZ via the conserved C-terminal domain (CTD). Despite its discovery more than 25 years ago, the exact organization, regulation and dynamics of the Z-ring still remain poorly understood, particularly, in non-model organisms. FtsA is the main FtsZ-membrane tethering factor in model organisms such as Escherichia coli and Bacillus subtilis, however, it is absent in some bacterial phyla and Archaea. Here, we have structurally and functionally characterized SepF, a conserved protein in Archaea and Gram-positive bacteria that presents overlapping activities with FtsA. We have used as model organisms the actinobacterial Corynebacterium glutamicum and the human gut-associated archaeon Methanobrevibacter smithii both of which lack FtsA. SepF was described as a non-essential component of the late division machinery (the divisome) in B. subtilis which, in vitro, polymerized forming rings of 50 nm in diameter. Our work has shown that in C. glutamicum SepF is an essential component of the divisome acting early and exhibiting an interdependence with FtsZ for membrane binding and mid-cell localization. We have co-crystallized SepF with the interacting FtsZ-CTD peptide revealing a hydrophobic FtsZ-binding pocket that defines the SepF homodimer. In addition, the crystal structure suggested a reversible oligomerization interface possibly regulated via an alpha helical switch. Our work has also revealed that lipid binding and FtsZ interaction have opposites effects on SepF polymerization. Altogether, we show that in C. glutamicum, SepF has an intricate role during cell division, participating in FtsZ bundling, FtsZ-membrane tethering and membrane remodeling. Cell division in Archaea remains puzzling and very little is known about the molecular organization and regulation of FtsZ. Interestingly, FtsA is absent and SepF co-occurs with FtsZ. Here, we show that in M. smithii the sole copy of FtsZ localizes in a ring-like structure at the constricted mid-cell, strongly suggesting an active role in cell division. Archaeal SepF also interacts with FtsZ-CTD, as shown by our high-resolution structure, and presumably, with membranes, indicating that SepF also represents a FtsZ-membrane anchoring factor in Archaea. An in-depth comparative analysis between SepF structures from Archaea and Bacteria manifested a different dimer interface with a distinctive FtsZ-binding mode. In addition, all available archaeal SepF structures do not show a clear polymeric arrangement within the crystal, suggesting that polymerization in Archaea might occur differently than in Bacteria. Finally, an extensive evolutionary analysis of the distribution and phylogeny of SepF clearly showed a segregation between bacterial and archaeal SepF homologues indicating an independent evolutionary path that correlates well with the different structural features. A very similar distribution was found for FtsZ, indicating that both proteins originated prior to the divergence of Bacteria and Archaea, and likely represent a crucial element of the ancestral cell division machinery in the Last Universal Common Ancestor (LUCA)