A divisão celular em B. subtilis inicia-se pela formação de um complexo multiprotéico, o divisomo, no sítio onde a bactéria irá se dividir. FtsZ é a primeira proteína a se localizar no futuro sitio de divisão, formando uma estrutura em anel (anel Z) que se estende por toda a circunferência da célula. O anel Z funciona como um arcabouço responsável por recrutar outras quinze proteínas de divisão que irão participar da montagem do divisomo. Nesta tese, utilizamos abordagens quantitativas e qualitativas de microscopia de fluorescência vital para estudarmos duas questões ainda não esclarecidas sobre o funcionamento do divisomo. A primeira delas é como o divisomo é montado. Para estudarmos a montagem do divisomo nós realizamos ensaios de co-localização entre o anel Z (FtsZ-mCherry) e as proteínas ZapA, EzrA, FtsW, FtsL, YpsB , DivIVA, e MinC fusionadas a GFP. Quanto maior a freqüência de co-localização entre FtsZ e outra proteína de divisão, mais inicial é a participação da proteína na formação do divisomo. Portanto, a medida da freqüência de co-localização entre o anel Z e as proteínas componentes do divisomo permite que se deduza uma cinética da montagem deste complexo. Estes ensaios demonstraram uma freqüência de co-localização de 97,33% para ZapA; 98,31% para EzrA; 83,90% para FtsW; 78,43% para FtsL; 50% para YpsB; 41,7% para DivIVA e 31,64% para MinC. Estes resultados sugerem que o divisomo seja formado em três etapas. ZapA e EzrA se associam ao divisomo imediatamente após a formação do anel Z, em seguida FtsW e FtsL são recrutados para o divisomo, e por último YpsB, DivIVA, MinC associam-se ao divisomo. A segunda questão que investigamos nesta tese foi o mecanismo da mudança de posição do divisomo que ocorre durante a esporulação em B. subtilis. Na fase de esporulação a célula divide-se assimetricamente, com a formação do septo próxima a um dos pólos. Durante o crescimento vegetativo a divisão não ocorre próxima aos pólos por causa da ação das proteínas MinC, MinD e DivIVA, importantes reguladores espaciais da divisão. MinCD e DivIVA são inibidores da formação do anel Z que durante o crescimento vegetativo se localizam nos pólos das células.. Uma hipótese para explicar o uso dos sítios polares para a divisão durante a esporulação seria que as proteínas MinCD e DivIVA seriam removidas dos pólos celulares. Para testarmos esta hipótese, estudamos a localização das proteínas MinCD e DivIVA durante a esporulação. Nossos resultados demonstraram que MinCD e DivIVA se re-localizam e saem dos pólos celulares durante a esporulação. Porém esta dinâmica ocorre após a formação do anel Z assimétrico, sugerindo que o anel Z seja insensível a estes inibidores durante a esporulação. Por ensaios genéticos em B. subtilis demonstramos que a proteína SpoIIE, conhecida como provável proteína responsável por promover a formação do septo assimétrico, seja capaz de contrapor a ação de MinC no início da esporulação. Dessa maneira nós propomos um novo modelo de mudança da divisão simétrica para assimétrica durante a esporulação, diferentemente da simples saída do complexo MinCD dos pólos como é proposto na literatura. / Bacillus subtilis division begins through the formation of a multiprotein complex, the divisome, at the site of division. FtsZ is the earliest known protein to localize to the future division site where the protein forms a ring-like structure (Z-ring) that extends around the circumference of the cell. The Z-ring functions as a scaffold and recruits about fifteen other division proteins that compose the divisome. In this work, we used quantitative and qualitative methods of vital fluorescence microscopy to study two questions that have not been elucidated about the divisome dynamics. The first is how divisome is assembled. To address that problem, we made co-localization between Z-ring (FtsZ-mCherry) and proteins ZapA, EzrA, FtsW, FtsL, YpsB, DivIVA, and MinC fused to GFP. Higher is the match between GFP fusions to Z-ring, earlier is the assembly of division proteins to divisome. Therefore, the co-localization frequency between Z ring and divisome proteins will allow us to deduce the assemble kinetics of the divisome. This assays showed a co-localization frequency of 97,33% for ZapA; 98,31% for EzrA; 83,90 for FtsW; 78,43% for FtsL; 50% for YpsB; 41,7% for DivIVA and 31,64% for MinC. This data suggests that the divisome does not assemble in two but in three steps. ZapA and EzrA assemble into the divisome immediately after Z ring formation, secondly FtsW and FtsL were recruited to the divisome, and finally YpsB, DivIVA, MinC associated with the divisome. The second question that we investigated in this work is the mechanism responsible for change the divisome position that occurs during sporulation in B. subtilis. In sporulation the cell divides asymmetrically, with a septum formation near poles. During vegetative grown the divisiome does not occur near poles because of MinC, MinD and DivIVA action, relevant for spatial regulation of division. MinCD and DivIVA are inhibitors of Z ring formation that during vegetative growth are located at poles. A hypothesis to explain the use of polar sites for division during sporulation would be that MinCD and DivIVA would be removed from cellular poles. To test this hypothesis, we studied the location of MinCD and DivIVA proteins during sporulation. Our results demonstrated that MinCD and DivIVA re-localize and leave to cell poles during sporulation. However this process occurs after asymmetric Z ring formation, suggesting that Z ring would be unresponsive to this inhibitors during sporulation. Through genetics assays in B. subtilis we demonstrated that SpoIIE protein, known to probably play a role in asymmetric septum formation, would be able to contrapose MinC action during early sporulation. Therefore, we propose a novel model for change the symmetric to asymmetric division during sporulation, unlike the release of MinCD from pole proposed in the literature.

A divisão celular nas bactérias requer a formação do divisomo, um complexo protéico que tem como o primeira etapa a polimerização da proteína FtsZ, seguida pela associação de 15 outras proteínas conhecidas. Os mecanismos envolvidos na regulação espacial do divisomo são bem caracterizados, mas o controle temporal da divisão celular em relação a outros eventos do ciclo, como a replicação do cromossomo, segue controversa. Neste trabalho, aplicamos a metodologia de microscopia de série temporal para estudar duas questões fundamentais do processo de divisão: a montagem do complexo que executa a divisão e a possibilidade da oscilação periódica na expressão de um ou mais genes envolvidos em divisão possa participar do controle temporal da montagem do divisomo. Para investigar se há oscilação da expressão gênica, construímos inicialmente variantes instáveis GFP através da adição de sequências peptídicas C-terminais que encaminham para a degradação em B. subtilis e utilizamos estes repórteres para criar fusões transcricionais sob o controle de promotores de genes centrais do processo de divisão. Depois de otimizar as condições de microscopia de série temporal com fusões transcricionais usando a variante instável GFPAISV, observamos que a autofluorescência de B. subtilis interferia nas nossas quantificações. Como forma de contornar a autofluorescência, construímos então fusões transcricionais com duas variantes de YFP (proteína fluorescente amarela) e optamos por trabalhar com Ypet-AISV. A análise de filmes de células individuais, tanto com fusões a GFPAISV como a Ypet-AISV, indicou que apenas o promotor do operon ftsL-pbpB apresentava um padrão de oscilação significativamente diferente de um promotor artificial usado como controle negativo. Esta hipótese, no entanto, não foi confirmada por medidas estáticas de populações de células nas quais correlacionamos intensidade de fluorescência com posição no ciclo celular. Portanto, nossos dados não foram capazes de evidenciar flutuações na expressão dos genes ftsL-pbpB, minCD, ftsZ, ftsA e zapA ao longo do ciclo celular. Para estudar a cinética de montagem divisomo foram realizados experimentos de microscopia de série temporal de FtsZ-mCherry e Pbp2B-GFP, onde observamos que a associação de Pbp2B ao divisomo ocorre 3 minutos após a formação do anel de FtsZ em meio rico e 4 minutos em meio mínimo. Também realizamos experimentos de microscopia de série temporal com uma cepa contendo FtsZ-YFP e DivIVA-CFP, determinando que DivIVA é incorporado ao divisomo 16 minutos após a formação do anel de FtsZ em meio rico e 20 minutos em meio mínimo. Estes dados confirmam que a montagem do divisomo ocorre em três etapas, e não duas, como anteriormente proposto. / Cell division in bacteria requires the formation of the divisome, a protein complex that has as the first step polymerization of FtsZ, followed by the assembly of 15 other known proteins. The mechanisms that underlie spatial regulation of divisome assembly have been largely elucidated, but the temporal control that ties the timing of cell division to other cell cycle events, such as chromosomal replication, remains surrounded by controversy. In this work, we use time-lapse microscopy to address two issues in B. subtilis cell division: the timing of divisome assembly, and the possibility that a periodic oscillation in expression of one or more genes essential for divisome assembly may play a role in defining the timing of cell division. To study the possibility of oscilation in gene expression, we have first built unstable variants of GFP by adding to its C-terminus peptide sequences that target the protein for degradation and used those variants to build transcriptional fusions to access the promoter activity of core cell division genes. After optimizing time-lapse conditions with transcriptional fusions to cell divison genes with the unstable GFPAISV, we observed that B. subtilis autofluorescence was an issue to our quantifications. To improve our signal-to-noise ratio, we built transcriptional fusions with two variants of YFP (Yellow Fluorescent Protein), and decided to work with Ypet. In our single-cell analysis for GFPAISV and for Ypet-AISV, only the ftsL operon promoter presented an oscilating pattern different from our negative control. This was not confirmed, however, when we attempted to correlate fluorescence signal with cell cycle position in static single-cell measurements. Thus, we conclude that that there are no fluctuations in ftsL, pbpB, minCD, ftsZ, ftsA or zapA gene expression throughout the cell cycle. To study divisome assembly we performed time-lapse microscopy of FtsZ-mCherry and Pbp2B-GFP, and determined that the association of Pbp2B occurs 3 minutes after FtsZ polymerization in rich medium and 4 minutes in minimal medium. We also performed time-lapse microscopy with FtsZ-YFP and DivIVA-CFP, determining that DivIVA is incorporated to the divisome in 16 minutes after FtsZ polymerization in rich medium and 20 minutes in minimal medium. This data confirms the assembly of the divisome in three steps rather than two, as previously proposed.

A divisão celular em B. subtilis inicia-se pela formação de um complexo multiprotéico, o divisomo, no sítio onde a bactéria irá se dividir. FtsZ é a primeira proteína a se localizar no futuro sitio de divisão, formando uma estrutura em anel (anel Z) que se estende por toda a circunferência da célula. O anel Z funciona como um arcabouço responsável por recrutar outras quinze proteínas de divisão que irão participar da montagem do divisomo. Nesta tese, utilizamos abordagens quantitativas e qualitativas de microscopia de fluorescência vital para estudarmos duas questões ainda não esclarecidas sobre o funcionamento do divisomo. A primeira delas é como o divisomo é montado. Para estudarmos a montagem do divisomo nós realizamos ensaios de co-localização entre o anel Z (FtsZ-mCherry) e as proteínas ZapA, EzrA, FtsW, FtsL, YpsB , DivIVA, e MinC fusionadas a GFP. Quanto maior a freqüência de co-localização entre FtsZ e outra proteína de divisão, mais inicial é a participação da proteína na formação do divisomo. Portanto, a medida da freqüência de co-localização entre o anel Z e as proteínas componentes do divisomo permite que se deduza uma cinética da montagem deste complexo. Estes ensaios demonstraram uma freqüência de co-localização de 97,33% para ZapA; 98,31% para EzrA; 83,90% para FtsW; 78,43% para FtsL; 50% para YpsB; 41,7% para DivIVA e 31,64% para MinC. Estes resultados sugerem que o divisomo seja formado em três etapas. ZapA e EzrA se associam ao divisomo imediatamente após a formação do anel Z, em seguida FtsW e FtsL são recrutados para o divisomo, e por último YpsB, DivIVA, MinC associam-se ao divisomo. A segunda questão que investigamos nesta tese foi o mecanismo da mudança de posição do divisomo que ocorre durante a esporulação em B. subtilis. Na fase de esporulação a célula divide-se assimetricamente, com a formação do septo próxima a um dos pólos. Durante o crescimento vegetativo a divisão não ocorre próxima aos pólos por causa da ação das proteínas MinC, MinD e DivIVA, importantes reguladores espaciais da divisão. MinCD e DivIVA são inibidores da formação do anel Z que durante o crescimento vegetativo se localizam nos pólos das células.. Uma hipótese para explicar o uso dos sítios polares para a divisão durante a esporulação seria que as proteínas MinCD e DivIVA seriam removidas dos pólos celulares. Para testarmos esta hipótese, estudamos a localização das proteínas MinCD e DivIVA durante a esporulação. Nossos resultados demonstraram que MinCD e DivIVA se re-localizam e saem dos pólos celulares durante a esporulação. Porém esta dinâmica ocorre após a formação do anel Z assimétrico, sugerindo que o anel Z seja insensível a estes inibidores durante a esporulação. Por ensaios genéticos em B. subtilis demonstramos que a proteína SpoIIE, conhecida como provável proteína responsável por promover a formação do septo assimétrico, seja capaz de contrapor a ação de MinC no início da esporulação. Dessa maneira nós propomos um novo modelo de mudança da divisão simétrica para assimétrica durante a esporulação, diferentemente da simples saída do complexo MinCD dos pólos como é proposto na literatura. / Bacillus subtilis division begins through the formation of a multiprotein complex, the divisome, at the site of division. FtsZ is the earliest known protein to localize to the future division site where the protein forms a ring-like structure (Z-ring) that extends around the circumference of the cell. The Z-ring functions as a scaffold and recruits about fifteen other division proteins that compose the divisome. In this work, we used quantitative and qualitative methods of vital fluorescence microscopy to study two questions that have not been elucidated about the divisome dynamics. The first is how divisome is assembled. To address that problem, we made co-localization between Z-ring (FtsZ-mCherry) and proteins ZapA, EzrA, FtsW, FtsL, YpsB, DivIVA, and MinC fused to GFP. Higher is the match between GFP fusions to Z-ring, earlier is the assembly of division proteins to divisome. Therefore, the co-localization frequency between Z ring and divisome proteins will allow us to deduce the assemble kinetics of the divisome. This assays showed a co-localization frequency of 97,33% for ZapA; 98,31% for EzrA; 83,90 for FtsW; 78,43% for FtsL; 50% for YpsB; 41,7% for DivIVA and 31,64% for MinC. This data suggests that the divisome does not assemble in two but in three steps. ZapA and EzrA assemble into the divisome immediately after Z ring formation, secondly FtsW and FtsL were recruited to the divisome, and finally YpsB, DivIVA, MinC associated with the divisome. The second question that we investigated in this work is the mechanism responsible for change the divisome position that occurs during sporulation in B. subtilis. In sporulation the cell divides asymmetrically, with a septum formation near poles. During vegetative grown the divisiome does not occur near poles because of MinC, MinD and DivIVA action, relevant for spatial regulation of division. MinCD and DivIVA are inhibitors of Z ring formation that during vegetative growth are located at poles. A hypothesis to explain the use of polar sites for division during sporulation would be that MinCD and DivIVA would be removed from cellular poles. To test this hypothesis, we studied the location of MinCD and DivIVA proteins during sporulation. Our results demonstrated that MinCD and DivIVA re-localize and leave to cell poles during sporulation. However this process occurs after asymmetric Z ring formation, suggesting that Z ring would be unresponsive to this inhibitors during sporulation. Through genetics assays in B. subtilis we demonstrated that SpoIIE protein, known to probably play a role in asymmetric septum formation, would be able to contrapose MinC action during early sporulation. Therefore, we propose a novel model for change the symmetric to asymmetric division during sporulation, unlike the release of MinCD from pole proposed in the literature.

A divisão celular nas bactérias requer a formação do divisomo, um complexo protéico que tem como o primeira etapa a polimerização da proteína FtsZ, seguida pela associação de 15 outras proteínas conhecidas. Os mecanismos envolvidos na regulação espacial do divisomo são bem caracterizados, mas o controle temporal da divisão celular em relação a outros eventos do ciclo, como a replicação do cromossomo, segue controversa. Neste trabalho, aplicamos a metodologia de microscopia de série temporal para estudar duas questões fundamentais do processo de divisão: a montagem do complexo que executa a divisão e a possibilidade da oscilação periódica na expressão de um ou mais genes envolvidos em divisão possa participar do controle temporal da montagem do divisomo. Para investigar se há oscilação da expressão gênica, construímos inicialmente variantes instáveis GFP através da adição de sequências peptídicas C-terminais que encaminham para a degradação em B. subtilis e utilizamos estes repórteres para criar fusões transcricionais sob o controle de promotores de genes centrais do processo de divisão. Depois de otimizar as condições de microscopia de série temporal com fusões transcricionais usando a variante instável GFPAISV, observamos que a autofluorescência de B. subtilis interferia nas nossas quantificações. Como forma de contornar a autofluorescência, construímos então fusões transcricionais com duas variantes de YFP (proteína fluorescente amarela) e optamos por trabalhar com Ypet-AISV. A análise de filmes de células individuais, tanto com fusões a GFPAISV como a Ypet-AISV, indicou que apenas o promotor do operon ftsL-pbpB apresentava um padrão de oscilação significativamente diferente de um promotor artificial usado como controle negativo. Esta hipótese, no entanto, não foi confirmada por medidas estáticas de populações de células nas quais correlacionamos intensidade de fluorescência com posição no ciclo celular. Portanto, nossos dados não foram capazes de evidenciar flutuações na expressão dos genes ftsL-pbpB, minCD, ftsZ, ftsA e zapA ao longo do ciclo celular. Para estudar a cinética de montagem divisomo foram realizados experimentos de microscopia de série temporal de FtsZ-mCherry e Pbp2B-GFP, onde observamos que a associação de Pbp2B ao divisomo ocorre 3 minutos após a formação do anel de FtsZ em meio rico e 4 minutos em meio mínimo. Também realizamos experimentos de microscopia de série temporal com uma cepa contendo FtsZ-YFP e DivIVA-CFP, determinando que DivIVA é incorporado ao divisomo 16 minutos após a formação do anel de FtsZ em meio rico e 20 minutos em meio mínimo. Estes dados confirmam que a montagem do divisomo ocorre em três etapas, e não duas, como anteriormente proposto. / Cell division in bacteria requires the formation of the divisome, a protein complex that has as the first step polymerization of FtsZ, followed by the assembly of 15 other known proteins. The mechanisms that underlie spatial regulation of divisome assembly have been largely elucidated, but the temporal control that ties the timing of cell division to other cell cycle events, such as chromosomal replication, remains surrounded by controversy. In this work, we use time-lapse microscopy to address two issues in B. subtilis cell division: the timing of divisome assembly, and the possibility that a periodic oscillation in expression of one or more genes essential for divisome assembly may play a role in defining the timing of cell division. To study the possibility of oscilation in gene expression, we have first built unstable variants of GFP by adding to its C-terminus peptide sequences that target the protein for degradation and used those variants to build transcriptional fusions to access the promoter activity of core cell division genes. After optimizing time-lapse conditions with transcriptional fusions to cell divison genes with the unstable GFPAISV, we observed that B. subtilis autofluorescence was an issue to our quantifications. To improve our signal-to-noise ratio, we built transcriptional fusions with two variants of YFP (Yellow Fluorescent Protein), and decided to work with Ypet. In our single-cell analysis for GFPAISV and for Ypet-AISV, only the ftsL operon promoter presented an oscilating pattern different from our negative control. This was not confirmed, however, when we attempted to correlate fluorescence signal with cell cycle position in static single-cell measurements. Thus, we conclude that that there are no fluctuations in ftsL, pbpB, minCD, ftsZ, ftsA or zapA gene expression throughout the cell cycle. To study divisome assembly we performed time-lapse microscopy of FtsZ-mCherry and Pbp2B-GFP, and determined that the association of Pbp2B occurs 3 minutes after FtsZ polymerization in rich medium and 4 minutes in minimal medium. We also performed time-lapse microscopy with FtsZ-YFP and DivIVA-CFP, determining that DivIVA is incorporated to the divisome in 16 minutes after FtsZ polymerization in rich medium and 20 minutes in minimal medium. This data confirms the assembly of the divisome in three steps rather than two, as previously proposed.

Em procariotos, a principal forma de reprodução é a divisão binária, que permite à célula-mãe dar origem a duas outras células-filhas, com conteúdo genético idêntico ao da progenitora. Em Bacillus subtilis este processo acontece graças ao divisomo, um complexo formado por aproximadamente dezesseis proteínas, que leva à constrição da membrana e da parede, formando o septo de divisão. A montagem do divisomo é coordenada por FtsZ, um homólogo de tubulina, que polimeriza na região central da bactéria e serve de arcabouço para a montagem do divisomo. Partindo de um levantamento detalhado da distribuição dos genes envolvidos em divisão em genomas completos de procariotos detectamos que divIVA, um gene de divisão já bem caracterizado, apresentava um gene parálogo em B. subtilis, conhecido como ypsB. Para determinarmos se YpsB seria um novo componente do divisomo foi realizada uma caracterização citológica e funcional desta proteína. Utilizamos microscopia de fluorescência e fusões de YpsB a GFP para determinar a localização subcelular de YpsB. Estes experimentos revelaram que YpsB está presente no divisomo, apresentando um padrão de localização semelhante mas não idêntico ao de DivIVA. Medindo-se a taxa de co-localização entre o anel Z e YpsB ficou demonstrado que estas proteínas co-localizam em aproximadamente 50%, sugerindo que YpsB é recrutada depois que o anel Z é montado. Para determinar quando YpsB chega ao divisomo, usamos mutantes termo-sensíveis das proteínas de divisão que revelaram a dependência de YpsB pelo sub complexo DivIB-DivIC-FtsL-FtsW-PBP2B. Já na ausência de DivIVA, YpsB continua associado ao divisomo, indicando que não depende do seu parálogo para localizar. Além disso, análises de deleções de YpsB mostraram que a porção N-terminal da proteína é a mais importante para o seu recrutamento ao divisomo. Para determinarmos o papel de YpsB durante a divisão foi construído um mutante com deleção completa do gene. DivIVA é uma proteína responsável por localizar o sistema Min nos pólos da bactéria e assim contribui para a precisão espacial da divisão. Apesar de serem parálogos, a função de YpsB, no entanto, parece ser diferente da de DivIVA. Análise do mutante ypsB- mostrou que na sua ausência, o divisomo é montado e o seu posicionamento tanto em fase vegetativa como em esporulação não são afetados. Como a ausência de YpsB não afeta perceptivelmente a divisão, combinamos a mutação em ypsB com mutações em outros genes envolvidos em divisão. A análise destes duplos mutantes revelou que a ausência simultânea de YpsB e FtsA produz exacerbada lise celular e letalidade. Com base neste fenótipo e em evidências evolutivas, sugerimos que YpsB esteja envolvida na regulação da síntese de peptideoglicano do septo. Mais especificamente, YpsB seria responsável por modular a atividade de PBP1, uma enzima necessária para a síntese de peptideoglicano septal. / In prokaryotes, the main form of reproduction is binary fission, which allows the mother-cell to give origin the two daughter-cells, with identical genetic material. In Bacillus subtilis, this process is performed by the divisome, a complex formed for approximately sixteen proteins that leads to the constriction of the membrane and the wall, creating the division septum. The assembly of the divisome is coordinated by FtsZ, a homolog of tubulin, that polymerizes in the central region of the bacteria and serves as the base for the assembly of the divisome. From a detailed survey of the distribution of the genes involved in division in complete genomes of prokaryotes, we detected that divIVA, a well characterized division gene, showed a paralog in B. subtilis, known as YpsB. To determine if YpsB would be a new component of the divisome, a cytological and functional characterization of this protein was carried out. We used fluorescence microscopy and fusion of YpsB to GFP to determine the subcellular localization of YpsB. These experiments displayed that YpsB is present in the divisome, with similar but not identical localization as DivIVA. Measuring co-localization between the Z ring and YpsB demonstrated that this happened in approximately 50% of the cells, suggesting that YpsB go to the divisome after the Z ring is formed. To determine when YpsB goes to the divisome, we used temperature-sensitive mutants of the division proteins. This showed that YpsB depends on the DivIB-DivIC-FtsL-FtsW-PBP2B sub-complex to associate with the divisome. In the absence of DivIVA, YpsB is still present in the divisome, indicating that it does not depend on its paralog to localize. Moreover, deletion analyses of YpsB showed that the N-terminal portion of the protein is the most important for its recruitment to the divisome. To determine the role of YpsB during division, we constructed a ypsB- mutant. DivIVA is the protein responsible for localization of the Min system in polar regions of B. subtilis and, thus, contributes for the spatial precision of division. Our results showed that the function of YpsB must be different from that of DivIVA, since analysis of the ypsB- mutant showed that in the absence this protein the divisome is assembled and septum position in vegetatively growing or sporulating cells is not affected. Since the absence of YpsB does not affect division, we combined the ypsB- mutant with mutants involved in division. Analysis of these double mutants showed that the simultaneous absence of YpsB and FtsA caused cellular lysis and lethality. Based on this phenotype and evolutionary evidences, we suggest that YpsB is involved in the regulation of peptidoglycan synthesis in the septum. More specifically, YpsB would be responsible for modulating the activity of PBP1, a necessary enzyme for septum peptidoglycan synthesis.

A citocinese bacteriana é controlada por diversas proteínas que se agrupam em um complexo chamado divisomo. O cerne do divisomo é constituído por FtsZ, uma proteína homóloga à tubulina eucariótica, que se auto-associa formando uma estrutura chamada anel Z. O anel Z serve como arcabouço e recruta diversas outras proteínas componentes do divisomo para o sítio onde o septo será sintetizado na célula. A formação do anel Z é modulada por proteínas que se ligam diretamente a FtsZ e regulam a sua auto-associação, tanto induzindo como inibindo a sua polimerização. Apesar de muitos destes moduladores de FtsZ já serem conhecidos, muito pouco se sabe sobre o mecanismo pelo qual eles controlam a estruturação do anel Z in vivo. O objetivo do presente trabalho foi estudar a interação entre FtsZ e um modulador de divisão, a proteína ZapA, da bactéria gram-positiva Bacillus subtilis. Para isso construímos uma biblioteca de mutantes de ftsZ por \"Error Prone PCR\", com aproximadamente 1 substituição por cópia de ftsZ e contendo um total de 1x105 clones. A partir dessa biblioteca, utilizamos duas triagens genéticas para identificar mutantes incapazes de interagir com ZapA. Na primeira estratégia, selecionamos 12 mutantes de FtsZ resistentes à superexpressão de uma forma tóxica de ZapA, que bloqueia a divisão, causando filamentação e morte das células. Surpreendentemente, apesar destes mutantes serem insensíveis ao efeito de ZapA, ensaios citológicos mostraram que nenhum deles perdeu a interação com ZapA. Como as mutações foram mapeadas nas vizinhanças do sítio catalítico e de polimerização de FtsZ, e como a maioria delas confere resistência cruzada aos efeitos de outros moduladores de FtsZ, suspeitamos que elas afetassem a estabilidade do polímero de FtsZ e, consequentemente, o comportamento do anel Z. Essas suspeitas foram confirmadas em ensaios de FRAP e cálculos de proporção de FtsZ no anel Z, indicando que os mutantes formam um anel Z mais estável que o normal. Como não obtivemos mutantes que perderam a interação com ZapA na primeira triagem, aplicamos a biblioteca em uma segunda estratégia de triagem genética, procurando um mutante de FtsZ que voltasse a interagir com um mutante de ZapA que não se liga mais a FtsZ (ZapAN62A). Esta estratégia de ganho de função identificou um candidato, FtsZE91V , que, tanto por critérios genéticos como citológicos, voltou a interagir com ZapAN62A. Apesar do mutante FtsZE91V mostrar-se capaz de restaurar a interação com ZapAN62A, ele não afetou a interação com ZapA selvagem, segundo nossos ensaios de microscopia de fluorescência e viabilidade. O mutante FtsZE91V, mapeia na hélice H3 de FtsZ. Esta hélice está exposta na superfície de FtsZ (compõe um dos lados da molécula de FtsZ) de uma maneira compatível com a idéia de que ela seria importante para interações laterais entre polímeros de FtsZ. Nossos resultados apontam, portanto, que a hélice H3 deve ser o sítio de interação para ZapA em FtsZ. / The bacterial cytokinesis is ruled by a number of proteins that constitute the divisome complex. FtsZ, a homologue of eukaryotic tubulin, is the main component of the divisome and self-associates in a structure named Z ring. The Z ring works as a scaffold and recruits the other components of divisome, establishing itself where the septum will be synthesized in the cell. Some of these proteins interact directly with FtsZ and control self-association, promoting polymerization or preventing it. Although there have been discovered many of FtsZ modulators, little is known about the mechanisms that control the formation of the Z ring in vivo. The aim of this work was study de interaction between FtsZ e one of its division modulators, ZapA protein, on Bacillus subtilis grampositive bacteria. We created a mutagenized ftsZ plasmid library by error prone PCR, which contained 1,0x105 transformants and exhibited a mutation rate of one substitution per ftsZ copy. The library was transformed into a modified Bacillus subtilis strain and we performed two genetic screenings to select cells with FtsZ mutants incapable of interacting with ZapA. In first strategy, we selected 12 resistant ftsZ mutants for a toxic ZapA overexpression, that blocked division and caused filamentation and cell death. Surprisingly, although these mutants were insensitive to ZapA effect, cytological assays showed that none of them lost interaction with ZapA. As the substitutions were mapped around the catalytic and interaction site of FtsZ structure and showed resistance to other modulators, we suspected that the mutations were affecting the polymer stability of FtsZ and, consequently, the behavior of Z ring. This hypothesis was confirmed by FRAP experiments and by calculations of FtsZ proportions in Z ring, pointing out that the mutants form more stable Z rings. As we didnt\' find mutants that lost their ZapA´s interaction, we applied our library in a second genetic screen, looking for mutants that return to interact with a ZapA mutant (ZapAN62A) that doesn´t bind to FtsZ anymore. This gain of function strategy identified one candidate, FtsZE91V, which returns to interact with ZapAN62A in our genetic and cytological assays. Although the mutant FtsZE91V showed itself capable to interact with ZapAN62A, that didn´t affect the interaction with wild type ZapA by our fluorescent microscopy and viability assays. The substitution E91V was mapped on H3 helix of FtsZ structure. This helix is exposed on FtsZ surfaces (on FtsZ´s lateral side), being compatible with the idea that lateral interaction is important in FtsZ polymers. So, we concluded that helix H3 is the binding site of ZapA in FtsZ.

Em procariotos, a principal forma de reprodução é a divisão binária, que permite à célula-mãe dar origem a duas outras células-filhas, com conteúdo genético idêntico ao da progenitora. Em Bacillus subtilis este processo acontece graças ao divisomo, um complexo formado por aproximadamente dezesseis proteínas, que leva à constrição da membrana e da parede, formando o septo de divisão. A montagem do divisomo é coordenada por FtsZ, um homólogo de tubulina, que polimeriza na região central da bactéria e serve de arcabouço para a montagem do divisomo. Partindo de um levantamento detalhado da distribuição dos genes envolvidos em divisão em genomas completos de procariotos detectamos que divIVA, um gene de divisão já bem caracterizado, apresentava um gene parálogo em B. subtilis, conhecido como ypsB. Para determinarmos se YpsB seria um novo componente do divisomo foi realizada uma caracterização citológica e funcional desta proteína. Utilizamos microscopia de fluorescência e fusões de YpsB a GFP para determinar a localização subcelular de YpsB. Estes experimentos revelaram que YpsB está presente no divisomo, apresentando um padrão de localização semelhante mas não idêntico ao de DivIVA. Medindo-se a taxa de co-localização entre o anel Z e YpsB ficou demonstrado que estas proteínas co-localizam em aproximadamente 50%, sugerindo que YpsB é recrutada depois que o anel Z é montado. Para determinar quando YpsB chega ao divisomo, usamos mutantes termo-sensíveis das proteínas de divisão que revelaram a dependência de YpsB pelo sub complexo DivIB-DivIC-FtsL-FtsW-PBP2B. Já na ausência de DivIVA, YpsB continua associado ao divisomo, indicando que não depende do seu parálogo para localizar. Além disso, análises de deleções de YpsB mostraram que a porção N-terminal da proteína é a mais importante para o seu recrutamento ao divisomo. Para determinarmos o papel de YpsB durante a divisão foi construído um mutante com deleção completa do gene. DivIVA é uma proteína responsável por localizar o sistema Min nos pólos da bactéria e assim contribui para a precisão espacial da divisão. Apesar de serem parálogos, a função de YpsB, no entanto, parece ser diferente da de DivIVA. Análise do mutante ypsB- mostrou que na sua ausência, o divisomo é montado e o seu posicionamento tanto em fase vegetativa como em esporulação não são afetados. Como a ausência de YpsB não afeta perceptivelmente a divisão, combinamos a mutação em ypsB com mutações em outros genes envolvidos em divisão. A análise destes duplos mutantes revelou que a ausência simultânea de YpsB e FtsA produz exacerbada lise celular e letalidade. Com base neste fenótipo e em evidências evolutivas, sugerimos que YpsB esteja envolvida na regulação da síntese de peptideoglicano do septo. Mais especificamente, YpsB seria responsável por modular a atividade de PBP1, uma enzima necessária para a síntese de peptideoglicano septal. / In prokaryotes, the main form of reproduction is binary fission, which allows the mother-cell to give origin the two daughter-cells, with identical genetic material. In Bacillus subtilis, this process is performed by the divisome, a complex formed for approximately sixteen proteins that leads to the constriction of the membrane and the wall, creating the division septum. The assembly of the divisome is coordinated by FtsZ, a homolog of tubulin, that polymerizes in the central region of the bacteria and serves as the base for the assembly of the divisome. From a detailed survey of the distribution of the genes involved in division in complete genomes of prokaryotes, we detected that divIVA, a well characterized division gene, showed a paralog in B. subtilis, known as YpsB. To determine if YpsB would be a new component of the divisome, a cytological and functional characterization of this protein was carried out. We used fluorescence microscopy and fusion of YpsB to GFP to determine the subcellular localization of YpsB. These experiments displayed that YpsB is present in the divisome, with similar but not identical localization as DivIVA. Measuring co-localization between the Z ring and YpsB demonstrated that this happened in approximately 50% of the cells, suggesting that YpsB go to the divisome after the Z ring is formed. To determine when YpsB goes to the divisome, we used temperature-sensitive mutants of the division proteins. This showed that YpsB depends on the DivIB-DivIC-FtsL-FtsW-PBP2B sub-complex to associate with the divisome. In the absence of DivIVA, YpsB is still present in the divisome, indicating that it does not depend on its paralog to localize. Moreover, deletion analyses of YpsB showed that the N-terminal portion of the protein is the most important for its recruitment to the divisome. To determine the role of YpsB during division, we constructed a ypsB- mutant. DivIVA is the protein responsible for localization of the Min system in polar regions of B. subtilis and, thus, contributes for the spatial precision of division. Our results showed that the function of YpsB must be different from that of DivIVA, since analysis of the ypsB- mutant showed that in the absence this protein the divisome is assembled and septum position in vegetatively growing or sporulating cells is not affected. Since the absence of YpsB does not affect division, we combined the ypsB- mutant with mutants involved in division. Analysis of these double mutants showed that the simultaneous absence of YpsB and FtsA caused cellular lysis and lethality. Based on this phenotype and evolutionary evidences, we suggest that YpsB is involved in the regulation of peptidoglycan synthesis in the septum. More specifically, YpsB would be responsible for modulating the activity of PBP1, a necessary enzyme for septum peptidoglycan synthesis.

A citocinese bacteriana é controlada por diversas proteínas que se agrupam em um complexo chamado divisomo. O cerne do divisomo é constituído por FtsZ, uma proteína homóloga à tubulina eucariótica, que se auto-associa formando uma estrutura chamada anel Z. O anel Z serve como arcabouço e recruta diversas outras proteínas componentes do divisomo para o sítio onde o septo será sintetizado na célula. A formação do anel Z é modulada por proteínas que se ligam diretamente a FtsZ e regulam a sua auto-associação, tanto induzindo como inibindo a sua polimerização. Apesar de muitos destes moduladores de FtsZ já serem conhecidos, muito pouco se sabe sobre o mecanismo pelo qual eles controlam a estruturação do anel Z in vivo. O objetivo do presente trabalho foi estudar a interação entre FtsZ e um modulador de divisão, a proteína ZapA, da bactéria gram-positiva Bacillus subtilis. Para isso construímos uma biblioteca de mutantes de ftsZ por \"Error Prone PCR\", com aproximadamente 1 substituição por cópia de ftsZ e contendo um total de 1x105 clones. A partir dessa biblioteca, utilizamos duas triagens genéticas para identificar mutantes incapazes de interagir com ZapA. Na primeira estratégia, selecionamos 12 mutantes de FtsZ resistentes à superexpressão de uma forma tóxica de ZapA, que bloqueia a divisão, causando filamentação e morte das células. Surpreendentemente, apesar destes mutantes serem insensíveis ao efeito de ZapA, ensaios citológicos mostraram que nenhum deles perdeu a interação com ZapA. Como as mutações foram mapeadas nas vizinhanças do sítio catalítico e de polimerização de FtsZ, e como a maioria delas confere resistência cruzada aos efeitos de outros moduladores de FtsZ, suspeitamos que elas afetassem a estabilidade do polímero de FtsZ e, consequentemente, o comportamento do anel Z. Essas suspeitas foram confirmadas em ensaios de FRAP e cálculos de proporção de FtsZ no anel Z, indicando que os mutantes formam um anel Z mais estável que o normal. Como não obtivemos mutantes que perderam a interação com ZapA na primeira triagem, aplicamos a biblioteca em uma segunda estratégia de triagem genética, procurando um mutante de FtsZ que voltasse a interagir com um mutante de ZapA que não se liga mais a FtsZ (ZapAN62A). Esta estratégia de ganho de função identificou um candidato, FtsZE91V , que, tanto por critérios genéticos como citológicos, voltou a interagir com ZapAN62A. Apesar do mutante FtsZE91V mostrar-se capaz de restaurar a interação com ZapAN62A, ele não afetou a interação com ZapA selvagem, segundo nossos ensaios de microscopia de fluorescência e viabilidade. O mutante FtsZE91V, mapeia na hélice H3 de FtsZ. Esta hélice está exposta na superfície de FtsZ (compõe um dos lados da molécula de FtsZ) de uma maneira compatível com a idéia de que ela seria importante para interações laterais entre polímeros de FtsZ. Nossos resultados apontam, portanto, que a hélice H3 deve ser o sítio de interação para ZapA em FtsZ. / The bacterial cytokinesis is ruled by a number of proteins that constitute the divisome complex. FtsZ, a homologue of eukaryotic tubulin, is the main component of the divisome and self-associates in a structure named Z ring. The Z ring works as a scaffold and recruits the other components of divisome, establishing itself where the septum will be synthesized in the cell. Some of these proteins interact directly with FtsZ and control self-association, promoting polymerization or preventing it. Although there have been discovered many of FtsZ modulators, little is known about the mechanisms that control the formation of the Z ring in vivo. The aim of this work was study de interaction between FtsZ e one of its division modulators, ZapA protein, on Bacillus subtilis grampositive bacteria. We created a mutagenized ftsZ plasmid library by error prone PCR, which contained 1,0x105 transformants and exhibited a mutation rate of one substitution per ftsZ copy. The library was transformed into a modified Bacillus subtilis strain and we performed two genetic screenings to select cells with FtsZ mutants incapable of interacting with ZapA. In first strategy, we selected 12 resistant ftsZ mutants for a toxic ZapA overexpression, that blocked division and caused filamentation and cell death. Surprisingly, although these mutants were insensitive to ZapA effect, cytological assays showed that none of them lost interaction with ZapA. As the substitutions were mapped around the catalytic and interaction site of FtsZ structure and showed resistance to other modulators, we suspected that the mutations were affecting the polymer stability of FtsZ and, consequently, the behavior of Z ring. This hypothesis was confirmed by FRAP experiments and by calculations of FtsZ proportions in Z ring, pointing out that the mutants form more stable Z rings. As we didnt\' find mutants that lost their ZapA´s interaction, we applied our library in a second genetic screen, looking for mutants that return to interact with a ZapA mutant (ZapAN62A) that doesn´t bind to FtsZ anymore. This gain of function strategy identified one candidate, FtsZE91V, which returns to interact with ZapAN62A in our genetic and cytological assays. Although the mutant FtsZE91V showed itself capable to interact with ZapAN62A, that didn´t affect the interaction with wild type ZapA by our fluorescent microscopy and viability assays. The substitution E91V was mapped on H3 helix of FtsZ structure. This helix is exposed on FtsZ surfaces (on FtsZ´s lateral side), being compatible with the idea that lateral interaction is important in FtsZ polymers. So, we concluded that helix H3 is the binding site of ZapA in FtsZ.