Function of the type-III secretion system ATPase complex in protein export of the bacterial flagellum
Final Report Abstract
Viele Bakterien nutzen das Flagellum zur gerichteten Bewegung in verschiedenen Umgebungen. Der Aufbau und die Funktion des bakteriellen Flagellums und des evolutionärverwandten Injektisoms vieler Gram-negativer Bakterien beruht auf dem Proteinexport über ein konserviertes Typ-III-Sekretionssystem (T3SS). Die Sekretionspore des T3SS besteht aus mehreren Untereinheiten der Proteine FliP, FliQ und FliR, welche sich in einer hochkoordinierten Weise zusammensetzen. T3SS sind hierbei in der Lage Substratproteine mit einer bemerkenswerten Geschwindigkeit von mehreren Tausend Aminosäuren pro Sekunde über die cytoplasmatische Membran zu transportieren. Zentrale Fragen in diesem Zusammenhang sind, wie die aus mehreren Untereinheiten aufgebaute Sekretionspore des T3SS sich in der cytoplasmatischen Membran effizient assembliert und wie T3SS in der Lage sind, Proteine mit einer so hohen Geschwindigkeit zu transportieren und gleichzeitig das Austreten kleiner Moleküle zu verhindern. In diesem DFG-geförderten Forschungsprojekt konnten wir zeigen, dass das Transmembranprotein FliO eine wesentliche Rolle bei der initialen Assemblierung der T3SS Sekretionspore spielt. Unsere Ergebnisse zeigen, dass FliO hierbei als Chaperon die effiziente Bildung eines stabilen FliP-FliR-Kernkomplexes ermöglicht. Ausführliche Funktions- und Mutageneseanalysen zeigten weiterhin, dass eine Kombination mehrerer strukturell konservierter Domänen der Komponenten der T3SS Sekretionspore zusammenspielen, um die Membranintegrität der cytoplasmatischen Membran während der schnellen Proteintranslokation zu gewährleisten und damit das Austreten kleiner Moleküle zu verhindern. In diesem Zusammenhang scheint eine hoch-konservierte Schleife aus mehreren Methioninresten in FliP auf der zytoplasmatischen Seite des T3SS-Kanals eine verformbare Dichtung (M-gasket) um die sich schnell bewegenden Substratproteine während des Sekretionsprozesses zu bilden. Zusammen mit einer Plug-Domäne in FliR (R-plug) sind diese Domänen entscheidend für die Aufrechterhaltung der Membranbarriere. Zusammenfassend erweitern diese Ergebnisse unser Verständnis der Prinzipien und molekularen Mechanismen der Assemblierung und Funktion von großen, aus vielen Komponenten bestehenden Transmembranproteinkomplexen. Aufgrund der Wichtigkeit des Flagellums und des verwandten Injektisoms als Virulenzfaktoren vieler pathogener Bakterien könnten diese Ergebnisse daher wichtige Voraussetzungen für die Entwicklung neuartiger Antiinfektiva sein, welche den Aufbau oder die Funktion dieser hochkomplexen Proteinsysteme stören.
Publications
- (2017). A flagellum-specific chaperone facilitates assembly of the core type III export apparatus of the bacterial flagellum. PLoS Biol 15, e2002267
Fabiani, F. D., Renault, T. T., Peters, B., Dietsche, T., Gálvez, E. J. C., Guse, A., Freier, K., Charpentier, E., Strowig, T., Franz-Wachtel, M., Macek, B., Wagner, S., Hensel, M., Erhardt, M.
(See online at https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2002267) - (2018). Type-III secretion pore formed by flagellar protein FliP. Mol Microbiol 107, 94-103
Ward, E., Renault, T. T., Kim, E. A., Erhardt, M., Hughes, K. T., Blair, D. F.
(See online at https://doi.org/10.1111/mmi.13870) - (2019). Export Mechanisms and Energy Transduction in Type-III Secretion Machines. Current Topics in Microbiology and Immunology
Renault, T. T., Guse, A., Erhardt, M.
(See online at https://doi.org/10.1007/82_2019_166) - (2020) Controlling membrane barrier during bacterial type-III protein secretion, Nat Commun. 2021 Jun 28;12(1):3999
Hüsing, S., van Look, U., Guse, A., Gálvez, E.J.C., Charpentier, E., Blair, D.F., Erhardt, M., Renault, T.T.
(See online at https://doi.org/10.1038/s41467-021-24226-1)
