Structural and functional studies on the homeostasis and type-III-secretion of flagellin

Die Fähigkeit günstige Lebensbedingungen zu finden und ungünstige zu vermeiden, ist ein zentraler Aspekt für die Überlebensfähigkeit vieler Bakterienarten. Das bakterielle Flagellum stellt einen der kleinsten Motoren in der Biosphäre dar, weist aber dennoch eine komplexe Architektur auf und besteht aus mehr als 30 unterschiedlichen Proteinen. Das Flagellum kann wie folgt untergliedert werden: Der zentrale Basalkörper ist in der Membran verankert und bietet das Grundgerüst für ein langes, helikales Filament, das über einen „Haken“ mit dem Basalkörper verbunden ist. Der flagellare Assemblierungsprozess umfasst eine Vielfalt an regulatorischen Faktoren und ist hierarchisch sowohl transkriptionell, als auch post-transkriptionell und translational organisiert. Darüber hinaus ist die Biogenese eines Flagellums streng sequentiell und erfordert so die Fertigstellung eines „Bauabschnittes“ bevor ein neuer begonnen werden kann. Das Filament ist aus mehr als 20.000 Kopien des Proteins Flagellin aufgebaut, dessen Moleküle in einem helikalen Muster angeordnet werden. Zwei Proteine, CsrA und FliW, regulieren die Flagellin Produktion über einen posttranskriptionellen Mechanismus. Dieser stellt sicher, dass nur dann Flagellin translatiert wird, wenn die zytoplasmatischen Level des Proteins niedrig sind, es also direkt sekretiert wird. Ein drittes Protein, das intrinsische Chaperon FliS, ist essentiell für die Erkennung und effiziente Sekretion von Flagellin. Zusammen kontrollieren diese Proteine die Produktion von Flagellin, so dass die zytoplasmatische Flagellin Konzentration um einen schmalen Schwellenwert oszilliert. Ziel dieser Arbeit ist es die molekularen Details der Flagellin Homöostase aufzuklären. In Enterobakterien wird der CsrA Aktivität durch kleine, nicht-kodierende RNAs (sRNAs), die als kompetetive Inhibitoren agieren, entgegengewirkt. Im Gegensatz dazu kontrolliert FliW das CsrA Protein allosterisch in einer Vielzahl flagellierter Bakterien. Diese Art der CsrA Regulation stellt vermutlich den evolutionär ursprünglichen Zustand in Eubakterien dar. Weiterhin wird in dieser Arbeit gezeigt, dass die Wechselwirkung von FliW und Flagellin entweder direkt co-translational zu sein scheint oder aber nah im ribosomalen Kontext stattfindet. Dies erlaubt die Kopplung von Flagellin Homöostase und Sekretion. Weiterführende Untersuchungen, die in dieser Studie durchgeführt wurden, zeigen den Einfluss von Bactofilinen auf den Prozess der Flagellen-Biosynthese. Diese ubiquitäre Klasse von Proteinen erinnert an Zytoskelettproteine, scheint aber eher ein dynamisches Gerüst für VIII verschiedene Prozesse zu bilden. In B. subtilis sind die Bactofiline BacE und BacF am Aufbau der Flagelle beteiligt, möglicherweise am Aufbau des „Hakens“. Weiterhin wird eine Interaktion von BacE mit FliW gezeigt und damit eine Verbindung zur Flagellin Homöostase. Abschließend liefert diese Arbeit ein Modell, dass die Kopplung von Homöostase und Sekretion von Flagellin auf struktureller Basis erklärt.