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Titel: Dynamics in bacterial flagellar systems
Autor: Brenzinger, Susanne
Weitere Beteiligte: Thormann, Kai (Prof. Dr.)
Erscheinungsjahr: 2017
URI: https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2016/0237
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2016-02375
DOI: https://doi.org/10.17192/z2016.0237
DDC: Biowissenschaften, Biologie
Titel(trans.): Dynamics in bacterial flagellar systems

Dokument

Schlagwörter:
Bacterial flagella, Mikrobiologie, Cell physiology, Motilität, Flagelle, Zellphysiologie, Motility

Summary:
Bacterial cells are highly organized with respect to their shape, structure or function. In particular flagellar motility and chemotaxis of many bacteria require a precise spatiotemporal regulation of the corresponding components to avoid wasting energy. Despite the tight regulation, flagellar motility and chemotaxis are also targets of adaptation in response to extra- and intracellular cues. The balance between tight regulation and flexible adaptation allows bacteria to efficiently thrive in changing and potentially nutrient limiting environments. This thesis focuses on the adaptation of the flagella-mediated motility of the γ-proteobacterium Shewanella oneidensis MR 1 by dynamically exchanging one of its motor components and a system in Shewanella putrefaciens CN-32 that ensures proper polar localization of several proteins, among them the chemotaxis system. S. oneidensis MR-1 possesses a single polar flagellar system but harbors two types of ion-channels, the so-called stators, that power flagellar rotation. The second chapter demonstrates that both stators, the native Na+-dependent PomAB and putatively acquired H+-dependent MotAB complex, are solely sufficient to drive motility in liquid environments and may interact with the flagellar rotor in varying configurations depending on sodium-ion concentrations, likely forming a hybrid motor. The principal environmental cue that can be integrated and reacted to by PomAB/MotAB stator swapping is the external Na+ concentration. Functionality of MotAB on the other hand seems to be tied to the membrane potential and load on the flagellum. Some limitations of MotAB can be overcome by small point mutations in the plug domain of MotB, likely by changing the MotAB channel properties and/or its mechanosensing capability. The second system studied was a landmark protein that serves as an organizational platform involved in different cellular processes including chemotaxis. This transmembrane protein was identified as the functional orthologue of Vibrio cholerae HubP. In S. putrefaciens CN-32 it is required for polar localization and possibly the correct function of the chemotaxis components, but not for placement of the flagellum which depends on the GTPase FlhF. Localization of HubP itself may be dependent on its LysM peptidoglycan-binding domain. Since the swimming speed was decreased when hubP was deleted, a so far unidentified modulator of flagellar motility might require HubP for proper function. In addition, deletion of hubP caused an impairment in twitching motility and affected proper localization of the chromosome partitioning system. Due to its structural similarity to Pseudomonas aeruginosa FimV and partially matching phenotypes upon deletion, the group of HubP/FimV homologs, characterized by a rather conserved N-terminal periplasmic section and a highly variable acidic cytoplasmic part, may serve as polar markers in various bacterial species with respect to different cellular functions. Thus, two separate systems target the flagellum and chemotaxis system to the cell pole.

Zusammenfassung:
Bakterienzellen sind hinsichtlich ihrer Form, Struktur und Funktionalität hoch organisiert. Insbesondere Komponenten, die an der von Flagellen angetriebenen Motilität und Chemotaxis beteiligt sind, bedürfen einer präzisen räumlichen und zeitlichen Regulierung um eine Energieverschwendung zu vermeiden. Trotz der stringenten Regulierung sind die flagellare Motilität sowie die Chemotaxis temporären Anpassungen an extra- und intrazellulärer Signale unterworfen. Die Balance zwischen Regulierung und flexibler Anpassung ermöglicht es Bakterienpopulationen in wechselnden und potenziell nährstoffarmen Umgebungen effizient zu wachsen. Die hier vorgelegte Dissertation fokussiert sich auf die im γ-Proteobacterium Shewanella oneidensis MR-1 gefundene Anpassung der Flagellen-vermittelten Motilität durch den dynamischen Austausch von Motorkomponenten und ein System in Shewanella putrefaciens CN-32, das die polare Lokalisation mehrerer Proteine, unter anderem die des Chemotaxis-Systems, gewährleistet. S. oneidensis MR-1 verfügt über ein einzelnes polares Flagellensystem sowie zwei Ionenkanal-Typen, die so genannten Statoren, die die Flagellenrotation antreiben können. Das zweite Kapitel zeigt, dass beide Statoren, der native Na+-abhängige PomAB und mutmaßlich erworbene H+-abhängige MotAB Komplex, allein ausreichen um die bakterielle Beweglichkeit in planktonischer Umgebung zu gewährleisten. Abhängig von der Salzkonzentration des jeweiligen Habitats können die Statoren in variierenden Zusammensetzungen mit dem Rotor interagieren. S. oneidensis MR-1 verfügt somit möglicherweise über einen Hybridmotor. Der wichtigste Umweltfaktor, der den Statoraustausch beeinflusst, ist die externe Na+-Konzentration. Die Funktionalität von MotAB scheint darüber hinaus an das Membranpotential und die Belastung des Flagellums gebunden zu sein. Die limitierte Funktionalität von MotAB kann durch Punktmutationen in der „Plug“-Domäne von MotB überwunden werden. Diese Mutationen führen möglicherweise zu Änderungen der Kanaleigenschaften und/ oder seiner Fähigkeit, die Belastung der Flagelle zu detektieren. Bei dem zweiten untersuchten System handelt es sich um ein Markierungsprotein, das verschiedenen zellulären Prozessen einschließlich Chemotaxis als Organisationsplattform dient. Dieses Transmembranprotein wurde als funktionelles Ortholog von Vibrio cholerae HubP identifiziert. In S. putrefaciens CN-32 ist es für die polare Lokalisierung und möglicherweise auch für die korrekte Funktion der Chemotaxis-Komponenten erforderlich, jedoch nicht für die Platzierung des Flagellums, deren Lokalisierung wiederum von der GTPase FlhF abhängt. Die polare Lokalisierung von HubP selbst wird möglicherweise durch dessen LysM Peptidoglykan-Bindungsdomäne bedingt. Da die Schwimmgeschwindigkeit nach einer Deletion von hubP geringer ausfiel, könnte eine bisher nicht identifizierte Komponente der flagellaren Motilität HubP für ihre ordnungsgemäße Funktion benötigen. Darüber hinaus ist die „twitching“ Motilität und die Lokalisation des chromosomalen Teilungsapparates beeinträchtig. Aufgrund seiner strukturellen Ähnlichkeit zu FimV von Pseudomonas aeruginosa und den teilweise übereinstimmenden Phänotypen bei deren Deletion, scheinen HubP und FimV Homologe, die sich durch ihren konservierten N-terminalen periplasmatischen Abschnitt und eine stark variable sauren zytoplasmatischen Teil kennzeichnen, gemeinsam eine Gruppe polare Markerproteine zu bilden. Diese Markerproteine können in verschiedenen bakteriellen Spezies für unterschiedliche Zellfunktionen wichtig sein.


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