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Der DNA-Translokator von T. thermophilus HB27, ebenso wie Typ-IV-Pili (T4P), sind Multiproteinkomplexe, die die Membranen und das Periplasma durchspannen. Sie sind ähnlich aufgebaut und enthalten identische Proteine. Der DNA-Translokator vermittelt Transport von DNA in das Zellinnere während der natürlichen Transformation. T4P sind filamentöse Zellorganellen, die an der inneren Membran assembliert werden und bis zu mehrere Mikrometer aus der Zelle hinausragen. Sie dienen der Anhaftung und Fortbewegung der Zellen auf Oberflächen.
Das Ziel dieser Arbeit war es, die Funktionen einzelner Komponenten der Komplexe und ihrer Proteindomänen bei der natürlichen Transformation, der T4P-Assemblierung und den durch T4P vermittelten Funktionen Adhäsion und „twitching motility“ aufzuklären.
Es sind neun Proteine bekannt, die eine duale Rolle als Komponenten des DNA-Translokators und des T4P spielen. Eines dieser Proteine ist die Assemblierungs-ATPase PilF, die Hexamere bildet. Diese cytoplasmatischen ATPase-Komplexe stellen die Energie für die Assemblierung der T4P bereit, ebenso wie für die Aufnahme freier DNA. Es ist jedoch bisher nicht geklärt, wie die durch PilF bereitgestellte Energie auf die anderen Komponenten des DNA-Translokators/T4P übertragen wird.
In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass PilF an das cytoplasmatische Protein PilM des T4P und DNA-Translokators bindet. Zudem konnten Proteinkomplexe bestehend aus den Proteinen PilM, PilN und PilO heterolog produziert und aus Zellmembranen koisoliert werden. PilF interagierte mit diesen PilMNO-Komplexen via PilM. Diese Interaktionen führt zur Stimulierung der ATPase-Aktivität von PilF. Dies deutet an, dass PilM ein Kupplungsprotein ist, welches die Assemblierungs-ATPase PilF physisch und funktionell mit dem T4P/DNA-Translokator über den PilMNO-Komplex verbindet.
Neben PilF standen Präpiline von T. thermophilus im Fokus dieser Arbeit. Präpiline sind Vorläuferproteine, die zu Pilinen prozessiert werden und als solche dann die Untereinheiten der Pilus-Strukturen bilden.
Zusammenfassend konnten die Rollen einzelner Präpilin-ähnlicher Proteine bei T4P-assoziierten Funktionen geklärt werden und es konnten erste Analysen zur Charakterisierung des weitestgehend unbekannten Proteins ComZ durchgeführt werden. Desweiteren liefert diese Arbeit Hinweise darauf, dass die membranassoziierten Proteine PilM, PilN und PilO Kupplungsproteine sind, die PilF mit den periplasmatischen Komponenten des T4P/DNA-Translokators verbinden und dadurch die ATPase-Aktivität von PilF stimulieren. Die Rollen einzelner Proteindomänen von PilF und PilM bei der Protein-Protein-Interaktion und der Bindung von Liganden wurden aufgeklärt, sowie ihre Funktionen bei den T4P-vermittelten Funktionen und der natürlichen Transformation.
Type IV pili are flexible filaments on the surface of bacteria, consisting of a helical assembly of pilin proteins. They are involved in bacterial motility (twitching), surface adhesion, biofilm formation and DNA uptake (natural transformation). Here, we use cryo-electron microscopy and mass spectrometry to show that the bacterium Thermus thermophilus produces two forms of type IV pilus ("wide" and "narrow"), differing in structure and protein composition. Wide pili are composed of the major pilin PilA4, while narrow pili are composed of a so-far uncharacterized pilin which we name PilA5. Functional experiments indicate that PilA4 is required for natural transformation, while PilA5 is important for twitching motility.
A major driving force for the adaptation of bacteria to changing environments is the uptake of naked DNA from the environment by natural transformation, which allows the acquisition of new capabilities. Uptake of the high molecular weight DNA is mediated by a complex transport machinery that spans the entire cell periphery. This DNA translocator catalyzes the binding and splitting of double‐stranded DNA and translocation of single‐stranded DNA into the cytoplasm, where it is recombined with the chromosome. The thermophilic bacterium Thermus thermophilus exhibits the highest transformation frequencies reported and is a model system to analyze the structure and function of this macromolecular transport machinery. Transport activity is powered by the traffic ATPase PilF, a soluble protein that forms hexameric complexes. Here, we demonstrate that PilF physically binds to an inner membrane assembly platform of the DNA translocator, comprising PilMNO, via the ATP‐binding protein PilM. Binding to PilMNO or PilMN stimulates the ATPase activity of PilF ~ 2‐fold, whereas there is no stimulation when binding to PilM or PilN alone. A PilMK26A variant defective in ATP binding still binds PilF and, together with PilN, stimulates PilF‐mediated ATPase activity. PilF is unique in having three conserved GSPII (general secretory pathway II) domains (A–C) at its N terminus. Deletion analyses revealed that none of the GSPII domains is essential for binding PilMN, but GSPIIC is essential for PilMN‐mediated stimulation of ATP hydrolysis by PilF. Our data suggest that PilM is a coupling protein that physically and functionally connects the soluble motor ATPase PilF to the DNA translocator via the PilMNO assembly platform.