The ParC/ParP system in the localization and segregation of chemotaxis signaling arrays in Vibrio cholerae and Vibrio parahaemolyticus

Chemotaxisproteine organisieren sich zu großen, übergeordneten Arrays. Bei den Darmbakterien Vibrio cholerae und Vibrio parahaemolyticus befinden sich Chemotaxis-arrays am Zellpol, und ihre Lokalisation variiert abhängig vom Zellzyklus. Das ParC/ParP-System vermittelt dieses Lokalisationsmuster, und ohne die Proteine ParC oder ParP sind die Arrays nicht mehr an den Zellpolen positioniert und können sich bei der Zellteilung nicht mehr aufteilen. Die Lokalisierung von Arrays in diesen Bakterien folgt einem hierarchischen Prozess, bei dem die Arrays via ParP und der ATPase ParC, welche als Zellpol-Determinante in Vibrios dient, am Zellpol verankert werden. In dieser Arbeit analysieren wir den Mechanismus wie sich ParP Zugang zu den Chemotaxis-Array verschafft um sie am Zellpol zu positionieren. Darüber hinaus zeigen wir, dass die Arrays auch in Abwesenheit der Histidin-Kinase CheA weiterhin die native räumliche Lokalisation und die ikonische hexagonale Anordnung der Rezeptoren aufweisen. Wir zeigen außerdem, dass die Zusammensetzung des V. cholerae Cluster II Arrays variabel ist und zusätzliche Proteine wie ParP enthalten können. Diese Arrays sind dann aufgrund ihrer geringeren CheA-Einbindung strukturell weniger stabil als die in E. coli vorkommenden ultrastabilen Arrays. Darüber hinaus untersuchen wir die dynamische Lokalisierung von ParC und bewerten ihren Einfluss auf die Gesamtlokalisierung der Arrays und ParP. Wir zeigen, dass sich der C-Terminus von ParP durch Wechselwirkungen mit MCP-Proteinen und der Histidin-Kinase CheA in die Signal-Arrays integriert. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Interkalation von ParP die Arraybildung erleichtert. Desweiteren ermöglicht ParPs N-terminale Interaktionsdomäne die Rekrutierung von Arrays zu den Zellpolen und fördert seine eigene polare Lokalisation. Darüber hinaus liefern die Daten den Beweis, dass ParP als kritischer Knotenpunkt zwischen der Bildung der chemotaktischen Arrays und ihrer richtigen polaren Rekrutierung dient. Zusätzlich zeigen unsere Daten, dass Arrays in V. cholerae die Fähigkeit haben, mehrere Gerüstproteine aufzunehmen, die eine bisher nicht charakterisierte Variabilität aufweisen. Wir zeigen außerdem, dass diese Variabilität für den hohen Grad der strukturellen Instabilität von V. cholerae Chemotaxis-Arrays verantwortlich ist. Schließlich zeigen wir, dass ParC einen Proteingradienten in V. parahaemolyticus Zellen bildet. Die ParC-Proteinkonzentration nimmt vom Zellpol zur Zellmitte hin ab, und dieser Gradient ist für die Funktion von ParC bei der Positionierung von ParP und damit auch der chemosensorischen Arrays unerlässlich. Auch erfordert die Erhaltung des Gradienten einen kontinuierlichen Austausch von ParC zwischen Zellpol und Zytoplasma, sowie die Fähigkeit von ParC, mit der DNA zu assoziieren und nukleotidabhängig in verschiedene Proteinzustände überzugehen. Die Lokalisierungsdynamik von ParC beruht auf unterschiedlichen Diffusionsraten dieser Proteinzustände. Insgesamt untersucht die Arbeit die Komplexität des ParC/ ParP-Systems und betont die Bedeutung jeder Komponente für die korrekte Lokalisierung der chemotaktischen Signal-Arrays.