Localization of protein aggregation in Escherichia coli is governed by diffusion and nucleoid macromolecular crowding effect

Autor: Thomas Julou, Hugues Berry, Anne-Sophie Coquel, Alice Demarez, Jean-Pascal Jacob, Lionel Moisan, Mael Primet, Mariella Dimiccoli, Ariel B. Lindner
Přispěvatelé: Artificial Evolution and Computational Biology (BEAGLE), Laboratoire d'InfoRmatique en Image et Systèmes d'information (LIRIS), Université Lumière - Lyon 2 (UL2)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Lumière - Lyon 2 (UL2)-École Centrale de Lyon (ECL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Laboratoire de Biométrie et Biologie Evolutive - UMR 5558 (LBBE), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-VetAgro Sup - Institut national d'enseignement supérieur et de recherche en alimentation, santé animale, sciences agronomiques et de l'environnement (VAS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-VetAgro Sup - Institut national d'enseignement supérieur et de recherche en alimentation, santé animale, sciences agronomiques et de l'environnement (VAS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Robustesse et évolvabilité de la vie (U1001), Université Paris Descartes - Paris 5 (UPD5)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Mathématiques Appliquées Paris 5 (MAP5 - UMR 8145), Université Paris Descartes - Paris 5 (UPD5)-Institut National des Sciences Mathématiques et de leurs Interactions (INSMI)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire de Physique Statistique de l'ENS (LPS), Fédération de recherche du Département de physique de l'Ecole Normale Supérieure - ENS Paris (FRDPENS), École normale supérieure - Paris (ENS-PSL), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École normale supérieure - Paris (ENS-PSL), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Université Paris Diderot - Paris 7 (UPD7)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Génétique moléculaire, évolutive et médicale, IFR65-Université Paris Descartes - Paris 5 (UPD5)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM), Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria), Funded by INSERM and INRIA (grant AEN ColAge) and ANR (grant PAGDEG)., IFR65-Université Paris Descartes - Paris 5 (UPD5)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM), Artificial Evolution and Computational Biology ( BEAGLE ), Laboratoire d'InfoRmatique en Image et Systèmes d'information ( LIRIS ), Université Lumière - Lyon 2 ( UL2 ) -École Centrale de Lyon ( ECL ), Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 ( UCBL ), Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ) -Institut National des Sciences Appliquées de Lyon ( INSA Lyon ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées ( INSA ) -Institut National des Sciences Appliquées ( INSA ) -Université Lumière - Lyon 2 ( UL2 ) -École Centrale de Lyon ( ECL ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées ( INSA ) -Institut National des Sciences Appliquées ( INSA ) -Inria Grenoble - Rhône-Alpes, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique ( Inria ) -Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique ( Inria ) -Laboratoire de Biométrie et Biologie Evolutive ( LBBE ), Université Claude Bernard Lyon 1 ( UCBL ), Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique ( Inria ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ) -Cardiovasculaire, métabolisme, diabétologie et nutrition ( CarMeN ), Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale ( INSERM ) -Hospices Civils de Lyon ( HCL ) -Institut National des Sciences Appliquées de Lyon ( INSA Lyon ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées ( INSA ) -Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées ( INSA ) -Université Claude Bernard Lyon 1 ( UCBL ), Université de Lyon-Institut National de la Recherche Agronomique ( INRA ) -Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale ( INSERM ) -Hospices Civils de Lyon ( HCL ) -Université Claude Bernard Lyon 1 ( UCBL ), Université de Lyon-Institut National de la Recherche Agronomique ( INRA ), Robustesse et évolvabilité de la vie ( U1001 ), Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale ( INSERM ) -Université Paris Descartes - Paris 5 ( UPD5 ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées ( INSA ) -Institut National des Sciences Appliquées ( INSA ), Mathématiques Appliquées à Paris 5 ( MAP5 - UMR 8145 ), Université Paris Descartes - Paris 5 ( UPD5 ) -Institut National des Sciences Mathématiques et de leurs Interactions-Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ), Laboratoire de Physique Statistique de l'ENS ( LPS ), Fédération de recherche du Département de physique de l'Ecole Normale Supérieure - ENS Paris ( FRDPENS ), Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ) -École normale supérieure - Paris ( ENS Paris ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ) -École normale supérieure - Paris ( ENS Paris ) -Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 ( UPMC ) -Université Paris Diderot - Paris 7 ( UPD7 ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ), IFR65-Université Paris Descartes - Paris 5 ( UPD5 ) -Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale ( INSERM ) -Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale ( INSERM ), Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique ( Inria ), Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Lumière - 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Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2013
Předmět:
FOS: Computer and information sciences
[INFO.INFO-AR]Computer Science [cs]/Hardware Architecture [cs.AR]
Protein Folding
Protein aggregation
medicine.disease_cause
Biochemistry
Biophysics Simulations
Diffusion
Computational Engineering
Finance
and Science (cs.CE)
0302 clinical medicine
[ SDV.MP ] Life Sciences [q-bio]/Microbiology and Parasitology
Microbial Physiology
Cell Behavior (q-bio.CB)
Image Processing
Computer-Assisted
Biology (General)
Computer Science - Computational Engineering
Finance
and Science
[ SDV.BIBS ] Life Sciences [q-bio]/Quantitative Methods [q-bio.QM]
0303 health sciences
Ecology
Escherichia coli Proteins
Systems Biology
Fick's laws of diffusion
Protein subcellular localization prediction
[SDV.BIBS]Life Sciences [q-bio]/Quantitative Methods [q-bio.QM]
Transport protein
Cell biology
[SDV.BBM.BP]Life Sciences [q-bio]/Biochemistry
Molecular Biology/Biophysics
Protein Transport
[SDV.MP]Life Sciences [q-bio]/Microbiology and Parasitology
Computational Theory and Mathematics
Modeling and Simulation
Biophysic Al Simulations
Protein folding
Protein Binding
Research Article
[ INFO.INFO-MO ] Computer Science [cs]/Modeling and Simulation
[ SDV.BBM.BP ] Life Sciences [q-bio]/Biochemistry
Molecular Biology/Biophysics
QH301-705.5
Biophysics
Biology
Microbiology
03 medical and health sciences
Cellular and Molecular Neuroscience
[ INFO.INFO-BI ] Computer Science [cs]/Bioinformatics [q-bio.QM]
Escherichia coli
Genetics
medicine
Nucleoid
Computer Simulation
Molecular Biology
Ecology
Evolution
Behavior and Systematics
030304 developmental biology
Cell Nucleus
Organelles
Computational Biology
Proteins
[INFO.INFO-MO]Computer Science [cs]/Modeling and Simulation
Chaperone Proteins
Microscopy
Fluorescence
FOS: Biological sciences
Quantitative Biology - Cell Behavior
[ INFO.INFO-AR ] Computer Science [cs]/Hardware Architecture [cs.AR]
[INFO.INFO-BI]Computer Science [cs]/Bioinformatics [q-bio.QM]
Macromolecular crowding
030217 neurology & neurosurgery
Zdroj: PLoS Computational Biology
PLoS Computational Biology, 2013, 9 (4), e1003038 (14 p.). ⟨10.1371/journal.pcbi.100303⟩
PLoS Computational Biology, Vol 9, Iss 4, p e1003038 (2013)
PLoS Computational Biology, Public Library of Science, 2013, 9 (4), e1003038 (14 p.). 〈http://www.ploscompbiol.org/article/info%3Adoi%2F10.1371%2Fjournal.pcbi.1003038;jsessionid=69FBBBC71EF265175352FBF82B47FEE4〉. 〈10.1371/journal.pcbi.100303〉
PLoS Computational Biology, Public Library of Science, 2013, 9 (4), e1003038 (14 p.). ⟨10.1371/journal.pcbi.100303⟩
ISSN: 1553-734X
1553-7358
DOI: 10.1371/journal.pcbi.100303⟩
Popis: Aggregates of misfolded proteins are a hallmark of many age-related diseases. Recently, they have been linked to aging of Escherichia coli (E. coli) where protein aggregates accumulate at the old pole region of the aging bacterium. Because of the potential of E. coli as a model organism, elucidating aging and protein aggregation in this bacterium may pave the way to significant advances in our global understanding of aging. A first obstacle along this path is to decipher the mechanisms by which protein aggregates are targeted to specific intercellular locations. Here, using an integrated approach based on individual-based modeling, time-lapse fluorescence microscopy and automated image analysis, we show that the movement of aging-related protein aggregates in E. coli is purely diffusive (Brownian). Using single-particle tracking of protein aggregates in live E. coli cells, we estimated the average size and diffusion constant of the aggregates. Our results provide evidence that the aggregates passively diffuse within the cell, with diffusion constants that depend on their size in agreement with the Stokes-Einstein law. However, the aggregate displacements along the cell long axis are confined to a region that roughly corresponds to the nucleoid-free space in the cell pole, thus confirming the importance of increased macromolecular crowding in the nucleoids. We thus used 3D individual-based modeling to show that these three ingredients (diffusion, aggregation and diffusion hindrance in the nucleoids) are sufficient and necessary to reproduce the available experimental data on aggregate localization in the cells. Taken together, our results strongly support the hypothesis that the localization of aging-related protein aggregates in the poles of E. coli results from the coupling of passive diffusion-aggregation with spatially non-homogeneous macromolecular crowding. They further support the importance of “soft” intracellular structuring (based on macromolecular crowding) in diffusion-based protein localization in E. coli.
Author Summary Localization of proteins to specific positions inside bacteria is crucial to several physiological processes, including chromosome organization, chemotaxis or cell division. Since bacterial cells do not possess internal sub-compartments (e.g., cell organelles) nor vesicle-based sorting systems, protein localization in bacteria must rely on alternative mechanisms. In many instances, the nature of these mechanisms remains to be elucidated. In Escherichia coli, the localization of aggregates of misfolded proteins at the poles or the center of the cell has recently been linked to aging. However, the molecular mechanisms governing this localization of the protein aggregates remain controversial. To identify these mechanisms, we have devised an integrated strategy combining innovative experimental and modeling approaches. Our results show the importance of the increased macromolecular crowding in the nucleoids, the regions within the cell where the bacterial chromosome preferentially condensates. They indicate that a purely diffusive pattern of aggregates mobility combined with nucleoid occlusion underlies their accumulation in polar and mid-cell positions.
Databáze: OpenAIRE
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