Regulation of the type IV pili localization in Myxococcus xanthus

Die stäbchenförmigen Zellen des Bakteriums Myxococcus xanthus bewegen sich mit Hilfe zweier verschiedener Fortbewegungssysteme entlang ihrer Längsachse. Die S-Bewegung stellt eine Type IV Pili (T4P)-abhängige Bewegung dar. T4P sind sehr dynamische Strukturen, welche an dem vorderen Pol der Zelle lokalisieren und dort Zyklen der Extension/Retraktion vollziehen. Diese Zyklen werden über die zwei Motorproteine, PilB und PilT reguliert. Beide Proteine gehören zu der Superfamilie von Sekretions ATPasen. Für die Retraktion von T4P wird ausschließlich die PilT ATPase benötigt. Genetische und biochemische Analysen deuten darauf hin, dass PilB und PilT antagonistisch arbeiten, wobei die ATP Hydrolyse von PilB die Energie für die T4P Extension liefert, während die ATP Hydrolyse von PilT die Energie für die T4P die Retraktion bereitstellt. M. xanthus Zellen wechseln regelmäßig die Richtung ihrer Bewegung, wobei der alte vordere Pol zum neuen hinteren Zellpol wird. Die Frequenz der Richtungswechsel wird durch das chemosensorische Frz System geregelt. Während eines Richtungswechsels müssen die beiden Bewegungsmaschinerien synchron ihre Polarität in der Zelle ändern, um eine erneute Vorwärtsbewegung in die entgegengesetzte Richtung zu garantieren. Um den molekularen Mechanismus, welcher die T4P Extensions/Retraktions Zyklen und den Polaritätswechsel der T4P während eines Richtungswechsels reguliert, zu erforschen wurde die Lokalisierung von sechs konservierten T4P Proteinen (PilB, PilT, PilQ, PilC, PilN und PilM) analysiert. Diese Proteine weisen eine subzelluläre Lokalisierung in drei verschiedenen Kompartimenten auf: in der äußeren Membran, der inneren Membran und im Zytoplasma. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die sechs Proteine jeweils drei verschiedene Lokalisierungsmuster aufweisen. Das in der äußeren Membran sitzende Sekretin PilQ, die Proteine PilC und PilN in der inneren Membran, wie auch das cytoplasmatische MreB/FtsA-ähnliche PilM lokalisieren alle symmetrisch an beiden Zellpolen. Wird das Frz System inaktiviert, so ändert sich die Lokalisierung der Proteine nicht. Aus diesem Grund vermuten wir, dass PilQ, PilC, PilN und PilM stationäre T4P Komponenten darstellen, welche ihre Lokalisierung zwischen den Polen während eines Richtungswechsels nicht verändern. Interessanterweise zeigte die Lokalisierung von PilB und PilT, dass die beiden Proteine an gegenüberliegenden Polen lokalisieren. Während die PilB ATPase, welche die Extension der T4P vermittelt, hauptsächlich am vorderen Zellpol lokalisiert, an dem sich ebenfalls die T4P befinden, lokalisiert die für die Retraktion verantwortliche PilT ATPase hauptsächlich am hinteren Pol, welcher keine T4P aufweist. Mithilfe von Timelapse-Mikroskopie konnte gezeigt werden, dass die Lokalisierung von YFP-PilT zwischen den Polen während eines Richtungswechsels ebenfalls wechselt. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass dieser Lokalisierungswechsel nicht in Abwesenheit des Frz Systems erfolgt. Der Vergleich der Lokalisierung von PilB in WT Zellen mit der in einer Frz Mutante weist deutliche Unterschiede auf. In mit WT Zellen durchgeführten Immunfluoreszenz-Analysen weist PilB drei verschiedene Lokalisierungsmuster auf: eine unipolare Lokalisierung, eine asymmetrische Lokalisierung an beiden Polen, wie auch eine symmetrische Lokalisierung an beiden Zellpolen. In der Frz Mutante hingegen tendiert PilB vermehrt dazu symmetrisch an beiden Polen zu lokalisieren. Zusammengefasst, lässt sich schlussfolgern, dass die beiden molekularen Motorproteine PilT und PilB die dynamische T4P Komponente darstellen und beide eine dynamische Lokalisierung zwischen den Polen während eines Richtungswechsels vollziehen. Demnach lokalisieren einige Komponenten der T4P stationär an beiden Polen, während andere Komponenten dynamisch zwischen den Polen lokalisieren. Dementsprechend würde die Relokalisierung der T4P zwischen den Polen auf der dynamischen Lokalisierung von T4P Komponenten PilB und PilT basieren. Des Weiteren konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass PilT ebenfalls eine schwankende Lokalisierung an dem T4P befindlichen Pol zwischen zwei Richtungswechseln aufweist. Die genannte Beobachtung deutet darauf hin, dass die zeitliche Trennung von Retraktion und Extension der T4P auf der räumlichen Trennung von PilT und PilB basiert, wie auch auf der schwankenden Lokalisierung von PilT am vorderen Pol. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass das Frz System die dynamische Lokalisierung von PilB und PilT beeinflusst. Jedoch gibt es weitere Proteine die diesen Prozess regulieren. Zu nennen sind hierbei die kleine Ras-ähnliche GTPase MglA und sein Paralog SofG, welche die korrekte Polarität von T4P Komponenten und auch die T4P Relokalisierung zwischen den Polen regulieren. Des Weiteren deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass SofG die unipolare T4P Lokalisierung an dem vorderen Zellpol inhibiert.