Structural and functional studies on the transcriptional regulation of flagellar motility and biofilm formation

Teil 1: Numerische Regulierung im monotrichen Bakterium Shewanella putrefaciens Die Fähigkeit von Mikroorganismen, sich an wechselnde Umgebungen anzupassen, hat dazu geführt, dass Bakterien beinahe jede Nische des Planeten Erde besiedelt haben. Eine Schlüsselfähigkeit für das Überleben von Bakterien stellt die Motilität dar. Diese erlaubt Bakterien, bevorzugte Lebensumgebungen anzusteuern und solche Umgebungen, die für das Überleben nicht förderlich sind, zu verlassen. In Verbindung mit einem Sensorium, durch das Bakterien Nährstoffe und andere Parameter wahrnehmen können, ermöglicht die Motilität den Bakterien die Bewegung in Richtung von Nährstoffgradienten. Bakterielle Motilität wird großmehrheitlich durch Flagellen ermöglicht. Die Biogenese eines Flagellums ist für die Zelle ein sehr kostspieliger Prozess. Dementsprechend ist die Flagellen-Biogenese hochgradig reguliert. In dem monotrich flagellierten Bakterium Shewanella putrefaciens sind die Proteine FlhF und FlhG verantwortlich für die Etablierung des flagellaren Musters. Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass FlhG die Anzahl der Flagellen auf eins reguliert, indem es direkt mit dem Master-Regulator der flagellaren Biogenese, FlrA, interagiert. FlhG ist darüberhinaus am Zusammenbau des cytoplasmatischen Teils des Flagellums, dem C-Ring, beteiligt. Transkriptionelle Kontrolle via FlrA sowie die C-Ring-Assemblierung via FliM werden durch dieselbe Bindestelle an FlhG gesteuert. Dies macht deutlich, dass FlhG eine bisher unerkannte Schlüsselrolle spielt und den Prozess der Flagellen-Biogenese mit der transkriptionellen Regulierung integriert. Zusammen genommen bilden diese Erkenntnisse einen wichtigen Schritt in Richtung einer vollständigen Beschreibung der Flagellenbiogenese und der numerischen Regulierung derselben. Damit bilden die Einblicke auch die Basis für weitere Untersuchungen. Teil 2: Transkriptionelle Regulierung von Biofilmen geschieht durch RemA, welches histon-artig mit DNA interagiert Anstelle der motilen Lebensart sind viele Bakterien in der Lage, in einem gesellschaftlichen Lebensstil zu existieren in Form von Biofilmen. Biofilme sind mehrzellige Gruppierungen von bakteriellen Zellen, in welchen Aufgabenteilung stattfindet und die eine erhöhte Resistenz gegenüber Antibiotika und Umwelteinflüssen bieten. Dies wird massgeblich bewerkstelligt durch die Sekretion von extrazellulären Proteinen und anderen Biomolekülen. RemA ist ein zentrales Protein während dieses Prozesses, welches die Sekretion von diesen extrazellulären Bausteinen transkriptionell aktiviert. Darüber hinaus aktiviert RemA Schutzprozesse der Zelle, um hohen Salinitäten entgegenzusteuern, die sich bei der Biofilm-Bildung zwangsläufig ergeben. Im Rahmen dieser Arbeit konnte die Struktur von RemA aus Geobacillus thermodenitrificans aufgeklärt werden. Die Struktur von RemA zeigt eine gänzlich neue Form der DNA-Interaktion, die an das DNA-Looping von Histon-Komplexen erinnert. Mittels biochemischer Methoden konnte die Art und Weise eruiert werden, wie RemA DNA bindet, und es konnten die strukturellen Auswirkungen der Mutation von funktionell wichtige Aminosäuren identifiziert werden. Damit bilden die hier gewonnenen Erkenntnisse eine wichtige Grundlage, um die Funktion von RemA im zellulären Kontext zu verstehen. Gleichzeitig ermöglicht diese Arbeit weiterreichende Untersuchungen, um RemA gemeinschaftlich mit DNA strukturell aufzuklären und weitere Proteine zu identifizieren, die RemA ähnlich sind. Teil 3: Membranprotein-Biogenese wird durch einen co-translationellen Zustand von FtsY gesteuert. Membranproteine werden durch Ribosomen translatiert und großmehrheitlich co-translational durch das SecYEG-Translocon in die Plasmamembran insertiert. Ein wichtiger Faktor beim co-translationalen Einbau von Membranproteinen in die Membran spielt der SRP-Rezeptor FtsY, welcher zusammen mit dem SRP-Partikel FFH und SRP-RNA die Zielführung von Ribosomen zum SecYEG-Translocon ermöglicht. Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass ein co-translationaler Zustand von FtsY, die helikale Domäne N2-4, massgeblich zur Zielsteuerung zur Membran beiträgt. Durch kristallographische Studien und Untersuchungen in Lösung konnte gezeigt werden, dass die Subdomäne N2-4 isoliert eine andere Faltung zeigt als im Kontext der G-Domäne von FtsY. Diese Beobachtung stellt ein Novum dar, denn die strukturelle Bi-stabilität von N2-4 geht offenbar einher mit dedizierten Funktionen. Diese Erkenntnisse stellen somit einen wichtigen Baustein dar im Feld der Membranprotein-Biogenese. Die Arbeiten dienen auch als Basis für weitergehende Untersuchungen, ob solch ein strukturell bimodaler Zustand bei Homologen von FtsY (etwa FlhF) oder anderen Proteinen ebenfalls auftritt.