Deciphering the assembly pathway of type IV pili in Myxococcus xanthus

Type IV pili (T4P) are hairlike surface structures, present on a variety of different bacteria. They are polymers involved in diverse functions such as motility, adherence, protein secretion, DNA uptake and in many pathogens they are found to be the primary colonization factor. Especially their role...

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Main Author: Friedrich, Carmen
Contributors: Sogaard-Andersen, Lotte (Prof. Dr.) (Thesis advisor)
Format: Doctoral Thesis
Language:English
Published: Philipps-Universität Marburg 2013
Subjects:
Online Access:PDF Full Text
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Type-IV-pili (T4P) sind haar-ähnliche Zellanhänge und kommen auf der Oberfläche von einer Vielzahl von verschiedensten Bakterien vor. Sie sind Polymere, welche an diversen Funktionen beteiligt sind, wie z.B an der Fortbewegung von Zellen, Anheftung an diverse Oberflächen, Protein-Sekretion, DNA-Aufnahme und in vielen pathogenen Bakterien werden sie primär zur Kolonisierung von Wirtszellen genutzt. Vor allem ihre Rolle als Pathogenitätsfaktor begründet das starke Interesse an der Erforschung von T4P. Die T4P-Maschinerie besteht aus mindestens 12 Proteinen, welche zusammen einen makromolekularen Komplex bilden, der die komplette Zellhülle durchspannt. In Myxococcus xanthus wird dieser Komplex an beiden Zellpolen ausgebildet. Obwohl die meisten beteiligten Proteine schon vor langer Zeit identifiziert und seitdem studiert wurden, ist es bis heute noch unklar wie und in welcher Reihenfolge die einzelnen Komponenten miteinander interagieren, um den Multiprotein-Komplex zu assemblieren. Die Ergebnisse dieser Arbeit führten uns zu der Hypothese, dass die T4P-Maschinerie von Außen nach Innen aufgebaut wird. Die Assemblierung beginnt mit dem Sekretin PilQ in der äußeren Membrane und setzt sich fort über Proteine im Periplasma, der inneren Membran bis hin zu zytoplasmatischen Komponenten. Wir haben uns die diversen, verfügbaren zellbiologischen Methoden in M. xanthus zu Nutze gemacht und eine der umfassendsten Untersuchungen des T4P-Systems durchgeführt. Dabei haben wir systematisch 11 der 12 Proteine auf Ihre Abhängigkeit untereinander bezüglich ihrer Stabilität und Lokalisation untersucht. Zudem wurden direkte Proteininteraktionen in vitro studiert. Mit dieser Vorgehensweise konnten wir ein Modell zur Assemblierung der T4P-Maschinerie erstellen. Der Aufbau beginnt mit PilQ in der äußeren Membran, welches mit Hilfe von Tgl einen oligomerischen Ring bildet, welcher eine Art Assemblierungsplattform für weitere Komponenten darstellt. Zunächst wird TsaP vom PilQ-Multimer rekrutiert und verankert den Komplex vermutlich zum Peptidoglycan mit Hilfe der LysM-Domäne in TsaP. Des Weiteren werden PilP, sowie die beiden Proteine PilN und PilO in der inneren Membran rekrutiert, welche zusammen als Komplex innere und äußere Membran überbrücken und damit vermutlich die Proteine in beiden Membranen aufeinander ausrichtet. Dann werden weitere Komponenten in den Komplex integriert, wie PilC, vermutlich durch direkte Interaktion mit PilO und ebenfalls PilM wird durch direkte Interaktion mit PilN mit der T4P-Maschinerie verbunden. Die ATPasen PilB und PilT, die die Energie zur Extension und Retraktion der T4P bereitstellen, lokalisieren unabhängig von allen Komponenten des T4P-Komplexes und interagieren vermutlich nur transient. In dieser Arbeit haben wir den Assemblierungsprozess, als auch direkte Interaktionen zwischen verschiedenen T4P-Proteinen untersucht, welches eine Grundlage für die weitere Erforschung dieser funktionell vielseitigen Strukturen schafft. Bemerkenswert ist die Tatsache, dass die Assemblierung des Type-II- als auch des Type-III-Sekretionssystems, ebenfalls mit dem Sekretin Protein in der äußeren Membran initiiert wird und sich weiter nach innen fortsetzt. Daher stellt sich die Frage, ob die Assemblierung von Außen nach Innen einen konservierten Mechanismus für den Aufbau von Zellhüll-durchspannenden Multi-Proteinkomplexen darstellt.