The small G-protein MglA connects the motility machinery to the bacterial actin cytoskeleton

Motility of Myxococcus xanthus cells is powered by two distinct engines: S-motility allows grouped cells movement and is driven by type IV pili (T4P) at the leading cell pole that use ATP for their function and pull the cell forward upon their retraction. Single cell movement is called gliding or A-...

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Main Author: Hot, Edina
Contributors: Sogaard-Andersen, Lotte (Prof. Dr.) (Thesis advisor)
Format: Dissertation
Language:English
Published: Philipps-Universität Marburg 2013
Biologie
Subjects:
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Table of Contents: Myxococcus xanthus Zellen nutzen zur Fortbewegung zwei verschiedene Bewegungsmaschinerien. Die S-Bewegungsmaschinerie ermöglicht die Fortbewegung in Zellgruppen und wird durch Typ-IV-Pili (T4P) angetrieben. T4P werden am vorderen Pol ausgebildet und benötigen ATP für ihre Funktion, bei der die Zelle durch die Retraktion der T4P nach vorne gezogen wird. Die Fortbewegung von einzelnen Zellen wird gleitende Bewegung oder A-Bewegung genannt. Der antreibende Motor, bestehend aus den Proteinen AglQ/R/S, wird durch den Protonengradienten angetrieben und wird in fokalen Adhäsionskomplexen in der Zelle eingebunden. Fortbewegung und Bewegungsrichtung werden dadurch kontrolliert, dass M. xanthus Zellen in regelmäßigen Abständen ihre Bewegungsrichtung wechseln. Bei diesem Richtungswechsel wird der vordere Zellpol zum Hinteren und umgekehrt. Diese Richtungswechsel werden von dem kleinen Ras-ähnlichen G-Protein MglA und dessen GTPase-aktivierenden Protein (GAP) MglB reguliert. Fluoreszenzmikroskopische Untersuchungen haben gezeigt, dass MglA am vorderen und MglB am hinteren Zellpol lokalisieren und beide Proteine wechseln den Zellpol während eines Zellrichtungswechsels. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass das zum A-Bewegungssystem gehörige Protein AglZ und der Motorkomplex AglQ/R/S in Clustern organisiert sind, welche sich entlang der Zelle ausbilden und relativ zum Untergrund fixiert bleiben, während sich die Zelle fortbewegt. Anhand der in vivo Experimente wurde vermutet, dass diese fokalen Adhäsionskomplexe sich am vorderen Zellpol ausbilden und entlang einer Cytoskelett-Struktur zum hinteren Zellpol geführt werden, wo sie dann disassembliert werden. In dieser Arbeit haben wir die Funktion von MglA im Kontext des A-Bewegungssystems untersucht. Zunächst konnten wir demonstrieren, dass MglA in seiner aktiven Form, fokale Adhäsionscluster bildet, welche mit AglZ und AglQ ko- lokalisieren. Dies lässt vermuten, dass aktives MglA ein Bestandteil der fokalen Adhäsionskomplexe ist. Wir konnten zeigen, dass MglA für die Eingliederung von AglQ in die fokalen Adhäsionskomplexe essentiell ist und der MglA GTPase Zyklus die Anzahl der AglQ Cluster bestimmt. Des Weiteren konnten wir feststellen, dass die Inaktivierung der GTPase-Aktivität durch die Mutation Q82A in MglA dazu führt, dass die Zellen regelmäßig die Bewegungsrichtung ändern, wobei sie lediglich eine Zelllänge zurücklegen, was vermuten lässt, dass die GTPase-Aktivität von MglA die Disassemblierung der fokalen Adhäsionskomplexe am hinteren Zellpol reguliert. Das Fusionsprotein YFP-MglAQ82A lokalisiert in einem fokalen Adhäsionskomplex, welcher regelmäßig zwischen beiden Zellpolen oszilliert, was dazu führt, dass sich die Zelle wie ein Pendel hin und her bewegt. Im Gegensatz zu dem Wildtyp Protein MglA, kann das Protein MglAQ82A nicht von MglB aktiviert werden. Erreicht MglAQ82A den hinteren Zellpol an dem MglB sitzt, so wird ein Zellrichtungswechsel ausgelöst, indem MglAQ82A wieder in die entgegengesetzte Richtung oszilliert. Die Ko-Lokalisierung der Proteine YFP-MglAQ82A/AglZ-mCherry und YFP-MglAQ82A/AglQ-mCherry zeigte, dass diese ebenfalls kontinuierlich zwischen beiden Zellpolen oszillieren. Daher vermuten wir, dass die Bewegungsmaschinerie mittels fokaler Adhäsionskomplexe an MglA gekoppelt ist und am hinteren Pol durch MglB GAP disassembliert werden muss, um die Bewegung in eine Richtung zu ermöglichen. Darüber hinaus konnten wir demonstrieren, dass MglA, als auch MglAQ82A direkt mit dem Filament-bildenden, Actin-homologen Protein MreB interagieren. Wir konnten zeigen, dass die Ausbildung und Lokalisierung der fokalen Adhäsionskomplexe von MreB abhängig sind, was bedeutet, dass MreB vermutlich als eine Art Gerüst für das A-Bewegungssystem dient. Die Zugabe von Antibiotika, welche die Peptidoglycan-Synthese inhibieren und das dynamische Verhalten von MreB in anderen Bakterien reduzieren, hat weder die gleitende Bewegung von einzelnen Zellen inhibiert, noch die Mislokalisierung von MglA oder AglQ zur Folge gehabt. Daraus schließen wir, dass die Funktion von MreB als Gerüst während der Peptidoglycansynthese unabhängig von dessen Funktion in der Fortbewegung in M. xanthus ist. Folglich konnten wir in dieser Arbeit zeigen, dass MreB für die Organisation von MglA, AglQ und AglZ in fokalen Adhäsionskomplexen während der gleitenden Bewegung benötigt wird und, dass diese Funktion von MreB unabhänig von dessen Funktion in der Peptidoglycansynthese ist.