Study of the biological role of the protein-protein interaction in the divisome assembling and functionality

There is a pressing need to keep pace in the race against antibiotic resistance by producing a continuous stream of novel antibacterial agents. One way to achieve this is to develop drugs that have novel mechanisms of action. Several features of the bacterial cell-division proteins suggest that they could be good candidates as antibacterial targets. As cell division requires multiple protein–protein interactions, targeting such interactions could prove fruitful. However, before such studies are initiated, it would be necessary to first determine, in laboratory conditions, which interactions are essential and which are dispensable. This is particularly important in processes that involve large complexes of proteins and multiple interactions to ensure that inhibitors that block a specific protein–protein interaction do so effectively. In the past ten years, various natural or synthetic inhibitors against FtsZ protein or the FtsZ–ZipA complex or FtsA were identified. Although it is not known whether or not these compounds could have a medical application, these data confirm the hypothesis that these proteins represent an excellent antibacterial target. Other divisome components, and, amongst these, FtsQ, would be taken into account as potential targets for new antibiotics. FtsQ is a highly conserved component of the divisome that plays a central role in the assembly of early and late cell division proteins. The biological activity of this protein is still largely unknown, but its ability to interact with many components of the divisome was described by both two hybrid assays and co-immunoprecipitation experiments. This PhD thesis describes the behaviour of ftsQ point mutants, created by random mutagenesis without regard to their phenotype, in which FtsQ is impaired in its ability to interact with its E. coli division partners. Our results allow the identification of FtsQ residues involved in the interaction with other partner proteins and the determination of the biological significance of these interactions. The knowledge derived by this study could constitute not only the basis for understanding how these proteins assemble in the divisome, but also a starting point for the design of new antibacterial drugs that disrupt the bacterial division machinery.

L’incremento delle infezioni causate da batteri resistenti alle attuali terapie e la scarsità di farmaci efficaci per il loro trattamento spingono la comunità scientifica a cercare strategie innovative, per identificare nuove classi di farmaci antibatterici. Un modo per raggiungere questo obiettivo è quello di sviluppare farmaci che hanno nuovi meccanismi d’azione. Diverse caratteristiche delle proteine dell’apparato di divisione (o divisoma) batterico suggeriscono che esse potrebbero essere dei bersagli ideali per nuovi antimicrobici. Poiché la divisione cellulare richiede molteplici interazioni proteina-proteina, utilizzare quest’ultime come target potrebbe rivelarsi fruttuoso. Prima di iniziare tali studi è, tuttavia, necessario discriminare, in condizioni di laboratorio, le interazioni essenziali per la vitalità della cellula da quelle transienti o non essenziali. Questo è particolarmente importante in processi che coinvolgono grandi complessi di proteine e interazioni multiple per assicurare che inibitori che bloccano una specifica interazione proteina-proteina lo facciano effettivamente. Negli ultimi dieci anni, lo sviluppo di inibitori sia naturali che sintetici della proteina FtsZ o della formazione dei complessi FtsZ-ZipA e FtsZ-FtsA conferma come le proteine di divisione possano rappresentare un eccellente bersaglio per lo sviluppo di nuovi antibatterici. Altri componenti del divisoma, e tra questi FtsQ, possono essere presi in considerazione come potenziali targets per nuovi antibatterici. FtsQ, un componente del divisoma altamente conservato, gioca un ruolo fondamentale nell’assemblaggio delle proteine precoci e tardive della divisione. Il ruolo biologico di questa proteina non è ancora noto, ma la sua capacità di interagire con molti costituenti del divisoma è stata descritta sia mediante saggi di doppio ibrido, sia attraverso esperimenti di co-immunoprecipitazione. In questa tesi è descritto il comportamento di mutanti puntiformi di FtsQ, ottenuti in seguito a mutagenesi random indipendentemente dal loro fenotipo, nei quali è compromessa la capacità di FtsQ di interagire con i suoi partners della divisione. I risultati ottenuti permettono di identificare i residui di FtsQ coinvolti nell’interazione con le altre proteine di divisione e la determinazione del ruolo biologico di queste interazioni. Le conoscenze derivanti da questo studio oltre a contribuire alla comprensione di come le proteine di divisione si assemblano nel divisoma, rappresentano un punto di partenza per la progettazione di nuovi antibatterici in grado di distruggere il macchinario di divisione batterico.