Establishment and maintenance of cell polarity in Myxococcus xanthus

Polarität von Zellen, die asymmetrische Verteilung von Proteinen in der Zelle, liegt grundlegenden Prozessen in allen Zellen zugrunde. Motile, polare Zellen besitzen eine Front-End Polaritäts-Axe, die dynamischen Änderungen durch externe Signale unterliegt. Die stäbschen-förmigen M. xanthus Zellen bewegen sich mit definierter Front-End Polarität. Als Reaktion auf ein Signal vom Frz chemosensorischen System wird diese Polarität invertiert und die Bewegungsrichtung der Zellen umgedreht. Front-End Polarität wird durch das Polaritäts-Modul etabliert, das aus der kleinen GTPase MglA und den verwandten GEF RomR/RomX und GAP MglA besteht. Diese vier Proteine lokalisieren asymmetrisch zu den Zell-Polen, wobei RomR/RomX und MglB hauptsächlich am hinteren Zellpol lokalisieren und MglA hauptsächlich am vorderen Zellpol. Als Reaktion auf ein Frz Signal welchseln die Proteine ihren Pol und die Front-End Polarität wird invertiert. Wir haben eine Kombination aus quantitativen Experimenten und daten-basierter Theorie benutzt um die Design-Prinzipien aufzudecken, die dem Entstehen von Polarität in M. xanthus zugrunde liegen. Durch das Untersuchen jedes Polaritäts-Proteins in Isolation, mit RomR als Proxy für den RomR/RomX-Komplex, und ihres Effekts in der systematischen Rekonstruktion des Systems leiten wir das Interaktions-Netzwerk zwischen den Polaritäts-Proteinen durch präzise in vivo Techniken zur quantifizierung der subzellulären Protein-Lokalisation ab. Den Kern des Interaktions-Netzwerkes bilden zwei positive Feedbacks, wobei RomR die eigene polare Lokalisation stimuliert und sich RomR und MglB gegenseitig am Pol rekrutieren. Gleichzeitig wird ein negatives Feedback durch MglA erzeugt, das von RomR rekrutiert wird, jedoch die gegenseitige Rekrutierung zwischen RomR/MglB inhibiert. Weiter konnten wir identifizeren, dass MglC eine wichtige Rolle im RomR/MglB Feedback spielt, indem es die GEF/GAP Interaktion am hinteren Zellpol erlaubt und so die Asymmetrie etabliert. Unsere Ergebnisse zeigen weiter, dass kontinuiertliche Zyklen zwischen MglA-GTP und MglA-GDP essentiell für die Entstehung von Polarität und die Regulation von Polaritäts-Wechseln sind. Durch FRAP Experimente und photoaktivierbare Protein-Fusionen zeigen wir, dass MglB, MglC und RomR in einem dreigliedrigen Komplex partizipieren, in dem die Umsatzrate durch die Aktivität von MglA bestimmt wird. Wir rationalisieren das Lokalisations-Model von GEF und GAP als Bereitstellung einer stabilen Asymmetrie, die jedoch auf Signale reagieren kann und durch Frz Signale invertiert werden kann. Unsere Ergebnisse haben nicht nur Bedeutung für das Verständnis von Polarität und Motilität in M. xanthus, sondern allgemein für das Verständnis von dynamischer Polarität in Bakterien sowie eukaryotischen Zellen.