Regulation of dynamic front-rear cell polarity by the Frz chemosensory system in Myxococcus xanthus

Bakterienzellen sind räumlich und zeitlich hoch organisiert. Dabei lokalisieren Proteine in bestimmten subzellulären Regionen. Das stäbchenförmige Bakterium Myxococcus xanthus bewegt sich auf Oberflächen mit definierter Vorder-Rück-Polarität. Diese Polarität wird durch die Ras-ähnliche GTPase MglA bestimmt, welche in ihrer GTP-gebundenen Form zum vorderen Zellpol lokalisiert. Die Nukleotid-gebundene Form von MglA und deren Lokalisation werden von insgesamt fünf weiteren Proteinen des Polaritätsmoduls reguliert. Diese insgesamt sechs Proteine lokalisieren asymmetrisch an den Zellpolen. Gelegentlich invertieren Zellen ihre Polarität, um ihre Bewegungsrichtung zu ändern. Diese Umpolung der Zellpolarität wird durch das Frz-Chemosensory-System ausgelöst. Die beiden Output- Regulatoren FrzX und FrzZ lokalisieren, wenn sie phosphoryliert sind, an dem hinteren oder vorderen Zellpol, wo sie die Proteine des Polaritätsmoduls anvisieren, um deren Polariät zu invertieren. Allerdings sind die molekularen Mechanismen, die FrzX und FrzZ mit den Proteinen des Polaritätsmoduls verknüpfen, immer noch unzureichend verstanden. In der vorliegenden Studie wird diese Fragestellung mit einem Fokus auf FrzZ untersucht. Mit Hilfe einer biotinbasierten Proximity-Labelling Methode, konnten wir PixA als einen vielversprechenden Kandidaten für eine direkte Interaktion mit phosphoryliertem FrzZ identifizieren. Epistase-Experimente unterstützen die Hypothese, dass FrzZ und PixA im selben Pfad des Frz Systems agieren, um Zellumkehrungen zu regulieren, wobei PixA diese hemmt. In diesem Pfad induziert FrzZ~P Zellumkehrungen, indem es PixA hemmt und dadurch die von PixA vermittelte Hemmung von Zellumkehrungen aufhebt. In Zellen, die sich in eine Richtung fortbewegen, lokalisiert PixA instabil am hinteren Zellpol. Bemerkenswerterweise ändern Signale des Frz-Systems diese Lokalisation. Genetische Analysen untermauern, dass FrzZ PixA Lokalisation am hinteren Pol hemmt. Während der Frz Signalweiterleitung „zieht“ FrzZ~P PixA zum vorderen Pol. Gleichzeitig „schiebt“ FrzZ~P PixA weg vom hinteren Pol. Erhöhte Mengen von PixA führen zu vermehrter Lokalisation von PixA am hinteren Zellpol und einer starken Reduzierung von Zellumkehrungen. Insgesamt unterstützen unsere Ergebnisse ein Modell, bei dem PixA Zellumkehrungen am hinteren Zellpol hemmt, während FrzZ~P und FrzX~P in einem „Push and Pull“ Mechanismus PixA vom hinteren zum vorderen Zellpol relokalisieren und so Zellumkehrungen ermöglichen. In Proximity-Labelling Experimenten, konnte der Response Regulator PglH als potenzieller Interaktionspartner von PixA, FrzX und MglA identifiziert werden. Eine ΔpglH Mutante, zeigte einen hyper-zellumkehrenden Phänotyp. Dies weist darauf hin, dass PglH ein vielversprechender Kandidat ist, welcher ebenfalls an der Regulation der Vorder-Rück- Polarität in M. xanthus beteiligt sein könnte.