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Titel: The role of the nucleotide-binding proteins FlhF and FlhG during flagellar biosynthesis
Autor: Knauer, Carina
Weitere Beteiligte: Bange, Gert (Dr.)
Erscheinungsjahr: 2016
URI: https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2016/0856
DOI: https://doi.org/10.17192/z2016.0856
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2016-08560
DDC: 540 Chemie
Titel(trans.): Die Rolle der nukleotidbindenden Proteine FlhF und FlhG während der flagellen Biosynthese

Dokument

Schlagwörter:
Flagellierungsmuster, GTPase, GTPase, Flagellation patterns

Summary:
Flagella are bacterial organelles of locomotion and present one the smallest motors in the living organisms. Their architecture can be divided into a cytoplasmic C-ring, the membrane-embedded basal body and the extracellular hook and filament structures. While flagellar structure and constituents are conserved among the bacterial species, number and localization of flagella at the bacterial cell surface are not. Instead, they appear in species-specific patterns that are characterized by defined number and places of the flagella. For example, Shewanella putrefaciens exhibits one flagellum at one cell pole (monotrichious), while the food-borne pathogen Campylobacter jejuni features one flagellum at both cell poles (amphitrichous). In contrast, the Gram-positive bacterium Bacillus subtilis shows approximately 25 flagella that are regularly spaced at the lateral sides and are absent from the cell poles (peritrichous). Importantly, these patterns are reproduced during each cycle of cell division and have been used as an early criterion for the taxonomic classification of bacteria. An essential question for understanding bacterial cell physiology is how these flagellation patterns are maintained? During the past decade, the two nucleotide-binding proteins FlhF and FlhG have been identified as key players for the spatial and numerical regulation of flagella. Most notably, both proteins are highly conserved but manage different types of flagellation patterns. The major aim of this work was to understand the function of FlhF and FlhG in regulating flagellation patterns. I could show that FlhF and FlhG form a regulatory unit in the monotrichious Shewanella putrefaciens and the amphitrichous Campylobacter jejuni. Similar to the situation in the peritrichous B. subtilis, the N-terminal fraction of FlhG stimulates the GTPase activity of the homodimeric GTPase FlhF via a conserved ‘DQAxxLR’ motif (x = any amino acid). These findings suggest that the regulation of FlhF by FlhG is highly conserved among differently flagellated bacteria and does probably not account for the diversity FlhF/FlhG-dependent flagellation patterns. This notion is also supported by in-depth biochemical and structural analysis of the FlhG enzymes from Shewanella putrefaciens and Campylobacter jejuni. To better understand how the FlhF/FlhG unit can regulate different flagellation patterns, I next set out to identify interaction partners of FlhF and FlhG in the monotrichious Shewanella putrefaciens and the peritrichous B. subtilis. In Shewanella putrefaciens, I could show the FlhG interacts with the C-ring protein complex of FliM/FliN via the conserved ‘EIDAL’ motif of FliM. This is in contrast to the situation in B. subtilis where FlhG also interacts with the FliM/FliY complex, however, via a motif within the N-terminus of FliY. This finding presents the first differences between FlhF/FlhG-dependent regulation of a monotrichious and peritrichous flagellation pattern. My search for interaction partners of FlhF showed that the protein interacts with ribosomes, the SRP-RNA and the FliM/FliN (FliY complex). In monotrichious Shewanella putrefaciens, the three-domain protein FlhF interacts via its N-terminal and natively unfolded B-domain with the ribosome, the SRP-RNA and the FliM/FliN. Definition of the binding sites showed that they localize within the first 40 amino acids of the protein and seem to partially overlap. However, further studies need to clarify the molecular details. Similarly, the B-domain of FlhF from the peritrichous B. subtilis also interacts with the C-ring protein complex FliM/FliY via the FliY protein. While many questions remain open, I would like to suggest a working hypothesis that combines and reflects the current knowledge about FlhF/FlhG with the data obtained in this work.

Zusammenfassung:
Das bakterielle Flagellum ermöglicht vielen Bakterien die Fortbewegung in ihrer Umgebung und repräsentiert einen der kleinsten Motoren in lebenden Organismen. Die Architektur des Flagellums kann in einen zytoplasmatischen C-Ring, einen in der Membran eingebetteten Basalkörper und in die extrazellulären Strukturen Hacken und Filament eingeteilt werden. Während die Struktur des Flagellums und deren Bestandteile innerhalb der Bakterien konserviert sind, variiert die Anzahl und die Lokalisation der Flagellen artspezifisch an der Bakteriellen Zelloberfläche. Shewanella putrefaciens besitzt beispielsweise nur ein Flagellum an einem Zellpol (monotrich), während die Lebensmittel übertragbaren Erreger Campylobacter jejuni eine Flagellum an beiden Zellpolen (amphitrich) aufweist. Im Gegensatz dazu findet man bei den Gram-positiven Bakterien Bacillus subtilis (peritrich) ca. 25 Flagellen, die entlang der Zelllänge regelmäßig angeordnet sind und dabei die Zellpole aussparen (peritrichous). Diese sogenannten Muster werden bei jedem Zellteilungs-Zyklus neu gebildet. Welcher regulatorische Mechanismus hinter der Aufrechterhaltung des artspezifischen Flagellen-Musters steckt, ist eine der wesentlichen Fragen in der bakteriellen Zellphysiologie. Während der letzten zehn Jahre wurden die beiden Nukleotid-bindenden Proteine FlhF und FlhG als wichtige Akteure für die räumliche und numerische Regelung der Flagellen identifiziert. Bemerkenswert dabei ist, dass diese hoch konservierten Proteine unterschiedliche Arten von Flagellierungs-Mustern verwalten. Das Hauptziel dieser Arbeit war es, die Funktion von FlhF und FlhG während der Regulierung von unterschiedlichen Flagellen Mustern zu verstehen. Ich konnte zeigen, dass FlhF und FlhG als regulatorische Einheit in dem monotrichen Shewanella putrefaciens und dem amphitrichen Campylobacter jejuni agieren. Das stimmt mit der Situation in dem peritrichen B. subtilis überein, wo der N-terminale Bereich von FlhG die GTPase-Aktivität der homodimeren GTPase FlhF über einen konserviertes „DQAxxLR“ Motiv (x = beliebige Aminosäure) stimuliert. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Regulation von FlhF durch FlhG in unterschiedlich flagellierten Bakterien hoch konserviert ist und somit wahrscheinlich nicht für die Vielfalt von FlhF/FlhG abhängigen Flagellen-Muster verantwortlich. Diese Vermutung wird durch eingehende biochemische und strukturelle Analysen der FlhG Enzyme aus Shewanella putrefaciens und Campylobacter jejuni unterstützt. Für ein besseres Verständnis, wie FlhF/FlhG als Einheit unterschiedliche Flagellen Muster regulieren, sollten Interactionspartner von FlhF und FlhG im monotrichen S. putrefaciens und im peritrichen B. subtilis identifiziert werden. In S. putrefaciens, konnte ich zeigen, dass FlhG mit den C-Ring-Protein-Komplex FliM/FliN über das konservierte „Eidal“ Motiv von FliM interagiert. Das steht im Gegensatz zur Situation in B. subtilis, wo FlhG auch mit dem FliM/FliY-Komplex interagiert, jedoch interagiert hier FlhG über ein Motiv innerhalb des N-Terminus von FliY. Diese Entdeckung ist einer der ersten Unterschiede zwischen einer FlhF/FlhG-abhängigen Regulierung eines monotrichen und peritrichen Flagellen-Musters. Die Suche nach Interaktionspartnern für FlhF, zeigt, dass FlhF mit Ribosomen, der SRP-RNA und mit FliM/FliN (FliY) interagiert. In S. putrefaciens interagiert das Drei-Domänen-Protein FlhF über seine N-Terminale nativ ungefaltete B-Domäne mit Ribosomen, SRP-RNA und dem FliM/FliN-Komplex. Untersuchungen der Interaktions-Bindestellen zeigten, dass diese innerhalb der ersten 40 Aminosäuren lokalisiert sind und teilweise überlappen. Des Weiteren konnte auch im peritrichen B. subtilis nachgewiesen werden, das FlhF mittels seiner B-Domäne mit dem C-Ring-Protein-Komplex FliM/FliY interagiert. In diesem Rahmen werden weitere Studien benötigt, um die molekularen Details zu klären. Während noch viele Fragen offen bleiben, schlage ich eine Arbeitshypothese vor, die das aktuelle Wissen um FlhF/FlhG und den hier gewonnenen Daten kombiniert und widerspiegelt.


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