Investigating the Function and the Interaction Network of the Flagellar Regulator ATPase FlhG

Motility plays a key role for the superior survival strategy of many bacteria. Sophisticated, macromolecular machines, called flagella, serve as bacterial locomotion organelles. These flagella appear in distinct spatial arrangements along the bacterial cell, constituting the flagellation patterns, w...

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Main Author: Schuhmacher, Jan Simon
Contributors: Bange, Gert (Dr.) (Thesis advisor)
Format: Dissertation
Language:English
Published: Philipps-Universität Marburg 2015
Chemie
Subjects:
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Table of Contents: Motilität ist ein zentraler Aspekt der Überlebensstrategie von Bakterien. Viele Bakterien bewegen sich mit Hilfe komplexer makromolekularer Motoren, Geißeln oder Flagellen genannt. Diese sind in speziellen Mustern auf der Zelloberfläche verteilt und werden im Folgenden Flagellierungsmuster genannt. Trotz der unglaublichen Vielzahl unterschiedlicher Bakterien finden sich in der Natur nur eine Hand voll dieser flagellaren Muster. Darüber, wie diese Muster nach jeder Zellteilung reproduzierbar und präzise ausgebildet werden, liegen nur spärlich Informationen vor. Zwei Proteine, FlhF und FlhG, spielen in diesem Zusammenhang eine wichtige Rolle und führen zu unterschiedlichen Mustern in den jeweiligen Bakterien. Diese Arbeit beinhaltet eine biochemische und strukturelle Charakterisierung der ATPase FlhG, die die Funktion von FlhG als molekularen Schalter hervorhebt. FlhG kann einerseits als Dimer in Membran-assoziiertem Zustand vorliegen, andererseits als Monomer frei im Zytoplasma diffundieren. Homologe Proteine in den unterschiedlich flagellierten Bakterien B. subtilis und S. putrefaciens weisen dieselben charakteristischen Merkmale auf und deuten auf ein einheitliches Funktionsprinzip der ATPase hin. FlhG interagiert in beiden Organismen mit den Proteinen FliM und FliN(Y) des flagellaren C-rings und offenbart dabei seinen Beitrag zum Aufbau des flagellaren C-rings indem es die Interaktion des FliM/FliN(Y)-Komplexes mit FliG ermöglicht. Weitere Untersuchungen des Interaktionsnetzwerkes von FlhG in beiden Organismen zeigten sowohl speziesübergreifende (FliM/FliN(Y)) als auch speziesspezifische Interaktionspartner, darunter das Zellteilungsprotein GpsB in B. subtilis und der Hauptregulator der Flagellenbiosynthese FlrA in S. putrefaciens. Daraus lässt sich ableiten, dass die unter-schiedlichen Flagellierungsmuster nicht direkt durch FlhG bestimmt werden, je-doch in der Struktur des Interaktionsnetzwerkes von FlhG und FlhF kodiert sind. Darüber hinaus deutet die Variabilität des C-ring Proteins FliN(Y) in unterschiedlichen Bakterien, das mit der Ausbildung unterschiedlicher Muster korreliert, in dieselbe Richtung. Außerdem wurde im Rahmen dieser Arbeit in enger Zusammenarbeit mit der Massenspektrometrie Abteilung der Chemischen Fakultät der Universität Marburg eine Technik zur Untersuchung von Proteinen mit Hilfe von Wasserstoff/Deuterium Austausch etabliert. Die erfolgreiche Anwendung wird in dieser Arbeit am Beispiel von drei unterschiedlichen Projekten beschrieben und zeigt die Vorteile dieser Methode zur Bestimmung von Portein-Ligand und Protein-Protein Interaktionsoberflächen.