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Secretins are a family of large bacterial outer membrane protein complexes mediating the transport of complex structures, such as type IV pili, DNA and filamentous phage, or various proteins, such as extracellular enzymes and pathogenicity determinants. PilQ of the thermophilic bacterium Thermus thermophilus HB27 is a member of the secretin family required for natural transformation. Here we report the isolation, structural, and functional analyses of a unique PilQ from T. thermophilus. Native PAGE, gel filtration chromatography, and electrophoretic mobility shift analyses indicated that PilQ forms a macromolecular homopolymeric complex that binds dsDNA. Electron microscopy showed that the PilQ complex is 15 nm wide and 34 nm long and consists of an extraordinary stable "cone" and "cup" structure and five ring structures with a large central channel. Moreover, the electron microscopic images together with secondary structure analyses combined with structural data of type II protein secretion system and type III protein secretion system secretins suggest that the individual rings are formed by conserved domains of alternating α-helices and β-sheets. The unprecedented length of the PilQ complex correlated well with the distance between the inner and outer membrane of T. thermophilus. Indeed, PilQ was found immunologically in both membranes, indicating that the PilQ complex spans the entire cell periphery of T. thermophilus. This is consistent with the hypothesis that PilQ accommodates a PilA4 comprising pseudopilus mediating DNA transport across the outer membrane and periplasmic space in a single-step process.
Secretins form multimeric channels across the outer membrane of Gram-negative bacteria that mediate the import or export of substrates and/or extrusion of type IV pili. The secretin complex of Thermus thermophilus is an oligomer of the 757-residue PilQ protein, essential for DNA uptake and pilus extrusion. Here, we present the cryo-EM structure of this bifunctional complex at a resolution of ~7 Å using a new reconstruction protocol. Thirteen protomers form a large periplasmic domain of six stacked rings and a secretin domain in the outer membrane. A homology model of the PilQ protein was fitted into the cryo-EM map. A crown-like structure outside the outer membrane capping the secretin was found not to be part of PilQ. Mutations in the secretin domain disrupted the crown and abolished DNA uptake, suggesting a central role of the crown in natural transformation.
Proteins of the secretin family form large macromolecular complexes, which assemble in the outer membrane of Gram-negative bacteria. Secretins are major components of type II and III secretion systems and are linked to extrusion of type IV pili (T4P) and to DNA uptake. By electron cryo-tomography of whole Thermus thermophilus cells, we determined the in situ structure of a T4P molecular machine in the open and the closed state. Comparison reveals a major conformational change whereby the N-terminal domains of the central secretin PilQ shift by ∼30 Å, and two periplasmic gates open to make way for pilus extrusion. Furthermore, we determine the structure of the assembled pilus.
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.