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Titel:Spatial regulation of dual flagellar systems
Autor:Roßmann, Florian
Weitere Beteiligte: Thormann, Kai (Prof. Dr.)
Veröffentlicht:2017
URI:https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2017/0061
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2017-00610
DOI: https://doi.org/10.17192/z2017.0061
DDC: Biowissenschaften, Biologie
Titel(trans.):Regulation der Positionierung in dual flagellierten Systemen
Publikationsdatum:2017-01-27
Lizenz:https://rightsstatements.org/vocab/InC-NC/1.0/

Dokument

Schlagwörter:
flagella, Flagellen, Flagellen

Summary:
Many cellular processes are highly spatially ordered, with spatial separation regulated by cellular factors called landmark proteins. Examples of compartmentalized processes are those involved in bacterial motility. In bacteria, swimming and swarming require the formation of flagella - long, rotating, helical filaments driven by a membrane-embedded motor. Landmark proteins likely regulate the numerous flagellation patterns found in a variety of bacterial species. In polarly flagellated bacteria, primarily encountered in marine habitats, the SRP-like GTPase FlhF and the MinD-like ATPase FlhG are known to control flagellar positioning and number. HubP, another polar factor identified in Vibrio cholerae, was shown to be involved in the localization of proteins which are a part of other cellular processes such as chemotaxis, enabling the cell to navigate efficiently towards more favorable conditions. The polarly flagellated gammaproteobacterium Shewanella putrefaciens CN-32 possesses two flagellar systems encoded in two gene clusters, enabling the cell to form a single polar and multiple lateral flagella. However, genes for only a single chemotaxis system are located on the chromosome. The primary polar system is required for the main propulsion of the cell. Since only the motor switch protein of the polar system, FliM1, harbors the binding domain of the chemotaxis response regulator CheY, the chemotaxis system also acts exclusively on this flagellar motor. Secondary, lateral flagella enable the cell to turn more efficiently by biasing the directional changes of the swimming cell towards smaller turn angles. This leads to a higher directional persistence in the swimming path of the cell. Since the positions of both the polar and lateral flagella play key roles in this special movement pattern, the mode of action of the regulators FlhF and FlhG on the dual flagellation was examined. While FlhF determinates the position of the nascent flagellum by recruiting flagellar components to the cell pole, direct interaction, likely at the cell pole, of FlhF and FlhG estricts polar accumulation of FlhF by stimulating its GTPase activity. The placement of the lateral flagellar system seems to be FlhF-independent. In addition to interaction with FlhF, FlhG was shown to be involved in the assembly of the cytoplasmic portion of the flagellar motor. For this purpose, FlhG binds FliM1 at the binding motif also recognized by CheY. As the motor switch protein of the lateral system, FliM2, lacks this binding domain, lateral flagella assemble independently of FlhG. Since FlhG was also shown to act on flagellar transcription, polar localization of FlhG might form a part of a feedback loop regulating flagellar transcription and assembly. In V. cholerae, the polar landmark HubP was shown to interact with both FlhF and FlhG. The ortholog of V. cholerae HubP was identified in S. putrefaciens and affected its flagella-mediated motility. In addition to its interaction with FlhFG and the chemotaxis system, SpHubP and VcHubP appears to be involved in chromosome segregation and polar recruitment of other yet unidentified factors. These results indicate that the polar flagellar system requires the presence of several factors to assemble a functional flagellum and to function in concert with the chemotaxis system. These factors do not affect assembly and function of the lateral flagellum, which seems to assemble stochastically and independently.

Zusammenfassung:
Viele zelluläre Prozesse sind räumlich genau angeordnet, wobei die räumliche Trennung durch bestimmte zelluläre Faktoren, sogenannte Marker-Proteine, reguliert wird. Solche Prozesse, welche räumlich getrennt ablaufen, sind zum Beispiel auch an der bakteriellen Bewegung beteiligt. Bakterien bilden zum Schwimmen und Schwärmen Flagellen aus. Dies sind lange, spiralförmige Filamente die von einem, in der Zellmembran eingebettenen, Motor betrieben werden. Marker-Proteine sind wahrscheinlich für die Ausbildung der vielen verschiedenen Flagellierungsarten zuständig. Diese sind in verschiedenen Bakterienarten anzutreffen. Polar flagellierte Bakterien kommen vor allem in marinen Lebensräumen vor. Die Position und die Anzahl der Flagellen regulieren die GTPase FlhF, welche Ähnlichkeiten zum Signalerkennungspartikel aufweist, und die ATPase FlhG (die homolog zu MinD ist). Es wurde gezeigt, dass ein weiterer Faktor, welcher in Vibrio cholerae entdeckt wurde, HubP, an der Lokalisierung von anderen in zellulären Prozessen beteiligten Proteinen eingebunden ist. Ein solcher Prozess ermöglicht zum Beispiel Chemotaxis, was die Zelle dazu befähigt sich effizient in Richtung vorteilhafterer Bedingungen zu bewegen. Das polar flagellierte Gammaproteobakterium Shewanella putrefaciens CN-32 besitzt zwei Flagellensysteme, welche durch zwei Gencluster codiert werden. Diese ermöglichen die Bildung einer einzigen polaren und mehreren lateralen, seitlich angeordneten Flagellen. Allerdings sind auf dem Chromosom nur die Gene für ein einziges Chemotaxissystem vorhanden. Das primäre, polare System fungiert als Hauptantrieb für die Zelle. Da nur das Motor-Umschaltprotein des polaren Systems, FliM1, eine Bindedomäne für den Chemotaxis-Antwortregulator CheY besitzt, wirkt das Chemotaxissystem ausschließlich auf diesen Flagellenmotor. Die sekundären, lateralen Flagellen befähigen die schwimmende Zelle durch Beeinflussung der Bewegungsrichtung hin zu kleineren Drehwinkeln, sich effizienter zu drehen. Dies führt zu einer verbesserten Beibehaltung der Bewegungsrichtung. Da die Position der polaren und der lateralen Flagelle eine Schlüsselrolle in diesem besonderen Bewegungsmuster spielt, wurde die Wirkungsweise der Regulatoren FlhF und FlhG auf die duale Flagellierung untersucht. Während FlhF durch die Rekrutierung flagellarer Bestandteile zum Zellpol die Position der sich bildenden Flagelle bestimmt, beschränkt die direkte, wahrscheinlich polare Interaktion zwischen FlhF und FlhG durch Verstärkung der GTPase-Aktivität von FlhF dessen Ansammlung am Pol. Die Platzierung der lateralen Flagelle hingegen geschieht vermutlich unabhängig von FlhF. Zusätzlich zur Interaktion mit FlhF ist FlhG auch am Zusammenbau des cytoplasmatischen Teils des Flagellenmotors beteiligt. FlhG bindet dazu an das Bindemotiv von FliM1, welches auch von CheY erkannt wird. Da dem Motor-Umschaltprotein des lateralen Systems, FliM2, diese Bindedomäne fehlt, müssen laterale Flagellen unabhängig von FlhG zusammengebaut werden. Da gezeigt wurde, dass FlhG auch auf die Flagellentranskription wirkt, könnte FlhG ein Teil eines Rückkopplungsmechanismus sein, welcher die Expression der Flagellenkomponenten und deren Zusammenbau reguliert. In V. cholerae zeigte sich, dass das Marker-Protein HubP sowohl mit FlhF als auch mit FlhG interagiert. Ein Ortholog von HubP wurde auch in S. putrefaciens identifiziert wo es auch die flagellen-vermittelte Bewegung beeinflusst. Zusätzlich zur Interaktion mit FlhFG und dem Chemotaxissystem, scheint SpHubP und VcHubP auch an der Chromosomenverteilung und der polaren Rekrutierung anderer, noch nicht identifizierter Faktoren beteiligt zu sein. Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass für den Zusammenbau einer funktionsfähigen, polaren Flagelle und deren Zusammenspiel mit dem hemotaxissystem viele verschiedene Faktoren vorhanden sein müssen. Diese Faktoren beeinflussen nicht den Zusammenbau und die Funktion der lateralen Flagelle. Dieser erfolgt anscheinend zufällig und unabhängig.


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