The role of the nucleotide-binding proteins FlhF and FlhG during flagellar biosynthesis

Flagella are bacterial organelles of locomotion and present one the smallest motors in the living organisms. Their architecture can be divided into a cytoplasmic C-ring, the membrane-embedded basal body and the extracellular hook and filament structures. While flagellar structure and constituents ar...

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Main Author: Knauer, Carina
Contributors: Bange, Gert (Dr.) (Thesis advisor)
Format: Dissertation
Language:English
Published: Philipps-Universität Marburg 2016
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Table of Contents: Das bakterielle Flagellum ermöglicht vielen Bakterien die Fortbewegung in ihrer Umgebung und repräsentiert einen der kleinsten Motoren in lebenden Organismen. Die Architektur des Flagellums kann in einen zytoplasmatischen C-Ring, einen in der Membran eingebetteten Basalkörper und in die extrazellulären Strukturen Hacken und Filament eingeteilt werden. Während die Struktur des Flagellums und deren Bestandteile innerhalb der Bakterien konserviert sind, variiert die Anzahl und die Lokalisation der Flagellen artspezifisch an der Bakteriellen Zelloberfläche. Shewanella putrefaciens besitzt beispielsweise nur ein Flagellum an einem Zellpol (monotrich), während die Lebensmittel übertragbaren Erreger Campylobacter jejuni eine Flagellum an beiden Zellpolen (amphitrich) aufweist. Im Gegensatz dazu findet man bei den Gram-positiven Bakterien Bacillus subtilis (peritrich) ca. 25 Flagellen, die entlang der Zelllänge regelmäßig angeordnet sind und dabei die Zellpole aussparen (peritrichous). Diese sogenannten Muster werden bei jedem Zellteilungs-Zyklus neu gebildet. Welcher regulatorische Mechanismus hinter der Aufrechterhaltung des artspezifischen Flagellen-Musters steckt, ist eine der wesentlichen Fragen in der bakteriellen Zellphysiologie. Während der letzten zehn Jahre wurden die beiden Nukleotid-bindenden Proteine FlhF und FlhG als wichtige Akteure für die räumliche und numerische Regelung der Flagellen identifiziert. Bemerkenswert dabei ist, dass diese hoch konservierten Proteine unterschiedliche Arten von Flagellierungs-Mustern verwalten. Das Hauptziel dieser Arbeit war es, die Funktion von FlhF und FlhG während der Regulierung von unterschiedlichen Flagellen Mustern zu verstehen. Ich konnte zeigen, dass FlhF und FlhG als regulatorische Einheit in dem monotrichen Shewanella putrefaciens und dem amphitrichen Campylobacter jejuni agieren. Das stimmt mit der Situation in dem peritrichen B. subtilis überein, wo der N-terminale Bereich von FlhG die GTPase-Aktivität der homodimeren GTPase FlhF über einen konserviertes „DQAxxLR“ Motiv (x = beliebige Aminosäure) stimuliert. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Regulation von FlhF durch FlhG in unterschiedlich flagellierten Bakterien hoch konserviert ist und somit wahrscheinlich nicht für die Vielfalt von FlhF/FlhG abhängigen Flagellen-Muster verantwortlich. Diese Vermutung wird durch eingehende biochemische und strukturelle Analysen der FlhG Enzyme aus Shewanella putrefaciens und Campylobacter jejuni unterstützt. Für ein besseres Verständnis, wie FlhF/FlhG als Einheit unterschiedliche Flagellen Muster regulieren, sollten Interactionspartner von FlhF und FlhG im monotrichen S. putrefaciens und im peritrichen B. subtilis identifiziert werden. In S. putrefaciens, konnte ich zeigen, dass FlhG mit den C-Ring-Protein-Komplex FliM/FliN über das konservierte „Eidal“ Motiv von FliM interagiert. Das steht im Gegensatz zur Situation in B. subtilis, wo FlhG auch mit dem FliM/FliY-Komplex interagiert, jedoch interagiert hier FlhG über ein Motiv innerhalb des N-Terminus von FliY. Diese Entdeckung ist einer der ersten Unterschiede zwischen einer FlhF/FlhG-abhängigen Regulierung eines monotrichen und peritrichen Flagellen-Musters. Die Suche nach Interaktionspartnern für FlhF, zeigt, dass FlhF mit Ribosomen, der SRP-RNA und mit FliM/FliN (FliY) interagiert. In S. putrefaciens interagiert das Drei-Domänen-Protein FlhF über seine N-Terminale nativ ungefaltete B-Domäne mit Ribosomen, SRP-RNA und dem FliM/FliN-Komplex. Untersuchungen der Interaktions-Bindestellen zeigten, dass diese innerhalb der ersten 40 Aminosäuren lokalisiert sind und teilweise überlappen. Des Weiteren konnte auch im peritrichen B. subtilis nachgewiesen werden, das FlhF mittels seiner B-Domäne mit dem C-Ring-Protein-Komplex FliM/FliY interagiert. In diesem Rahmen werden weitere Studien benötigt, um die molekularen Details zu klären. Während noch viele Fragen offen bleiben, schlage ich eine Arbeitshypothese vor, die das aktuelle Wissen um FlhF/FlhG und den hier gewonnenen Daten kombiniert und widerspiegelt.