title: Deciphering the assembly pathway of type IV pili in Myxococcus xanthus
title: Aufklärung des Aufbaus von Typ-IV-Pili in Myxococcus xanthus
Creators: name: Friedrich, Carmen
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2013
Subjects: Prokaryoten
Myxococcus xanthus
Type IV pili , bacterial locomotion
Pili
Typ-IV-Pili , Bakterielle Fortbewegung
Biowissenschaften, Biologie

description: Type-IV-pili (T4P) sind
      haar-ähnliche Zellanhänge und kommen auf der Oberfläche von
      einer Vielzahl von verschiedensten Bakterien vor. Sie sind
      Polymere, welche an diversen Funktionen beteiligt sind, wie
      z.B an der Fortbewegung von Zellen, Anheftung an diverse
      Oberflächen, Protein-Sekretion, DNA-Aufnahme und in vielen
      pathogenen Bakterien werden sie primär zur Kolonisierung von
      Wirtszellen genutzt. Vor allem ihre Rolle als
      Pathogenitätsfaktor begründet das starke Interesse an der
      Erforschung von T4P. Die T4P-Maschinerie besteht aus
      mindestens 12 Proteinen, welche zusammen einen
      makromolekularen Komplex bilden, der die komplette Zellhülle
      durchspannt. In Myxococcus xanthus wird dieser Komplex an
      beiden Zellpolen ausgebildet. Obwohl die meisten beteiligten
      Proteine schon vor langer Zeit identifiziert und seitdem
      studiert wurden, ist es bis heute noch unklar wie und in
      welcher Reihenfolge die einzelnen Komponenten miteinander
      interagieren, um den Multiprotein-Komplex zu assemblieren.
      Die Ergebnisse dieser Arbeit führten uns zu der Hypothese,
      dass die T4P-Maschinerie von Außen nach Innen aufgebaut wird.
      Die Assemblierung beginnt mit dem Sekretin PilQ in der
      äußeren Membrane und setzt sich fort über Proteine im
      Periplasma, der inneren Membran bis hin zu zytoplasmatischen
      Komponenten. Wir haben uns die diversen, verfügbaren
      zellbiologischen Methoden in M. xanthus zu Nutze gemacht und
      eine der umfassendsten Untersuchungen des T4P-Systems
      durchgeführt. Dabei haben wir systematisch 11 der 12 Proteine
      auf Ihre Abhängigkeit untereinander bezüglich ihrer
      Stabilität und Lokalisation untersucht. Zudem wurden direkte
      Proteininteraktionen in vitro studiert. Mit dieser
      Vorgehensweise konnten wir ein Modell zur Assemblierung der
      T4P-Maschinerie erstellen. Der Aufbau beginnt mit PilQ in der
      äußeren Membran, welches mit Hilfe von Tgl einen
      oligomerischen Ring bildet, welcher eine Art
      Assemblierungsplattform für weitere Komponenten darstellt.
      Zunächst wird TsaP vom PilQ-Multimer rekrutiert und verankert
      den Komplex vermutlich zum Peptidoglycan mit Hilfe der
      LysM-Domäne in TsaP. Des Weiteren werden PilP, sowie die
      beiden Proteine PilN und PilO in der inneren Membran
      rekrutiert, welche zusammen als Komplex innere und äußere
      Membran überbrücken und damit vermutlich die Proteine in
      beiden Membranen aufeinander ausrichtet. Dann werden weitere
      Komponenten in den Komplex integriert, wie PilC, vermutlich
      durch direkte Interaktion mit PilO und ebenfalls PilM wird
      durch direkte Interaktion mit PilN mit der T4P-Maschinerie
      verbunden. Die ATPasen PilB und PilT, die die Energie zur
      Extension und Retraktion der T4P bereitstellen, lokalisieren
      unabhängig von allen Komponenten des T4P-Komplexes und
      interagieren vermutlich nur transient. In dieser Arbeit haben
      wir den Assemblierungsprozess, als auch direkte Interaktionen
      zwischen verschiedenen T4P-Proteinen untersucht, welches eine
      Grundlage für die weitere Erforschung dieser funktionell
      vielseitigen Strukturen schafft. Bemerkenswert ist die
      Tatsache, dass die Assemblierung des Type-II- als auch des
      Type-III-Sekretionssystems, ebenfalls mit dem Sekretin
      Protein in der äußeren Membran initiiert wird und sich weiter
      nach innen fortsetzt. Daher stellt sich die Frage, ob die
      Assemblierung von Außen nach Innen einen konservierten
      Mechanismus für den Aufbau von Zellhüll-durchspannenden
      Multi-Proteinkomplexen darstellt.
description: Type IV pili (T4P) are hairlike
      surface structures, present on a variety of different
      bacteria. They are polymers involved in diverse functions
      such as motility, adherence, protein secretion, DNA uptake
      and in many pathogens they are found to be the primary
      colonization factor. Especially their role in virulence makes
      T4P particularly relevant for studying pilus function and
      assembly. The T4P machinery consists of 12 conserved proteins
      building an envelope-spanning macromolecular machinery, which
      localizes polarly in Myxococcus xanthus. Although most of the
      proteins have been known and studied for a long time, the
      precise mechanism of how and in which order the individual
      components are assembled to generate a macromolecular
      machinery remain largely unknown. Here we uncovered a
      sequential, outside-in assembly pathway starting with the
      outer membrane (OM) PilQ secretin, and proceeding inwards
      over the periplasm and inner membrane (IM) to the cytoplasm.
      Specifically, by taking advantage of the cell biology tools
      for studying T4P in M. xanthus, we carried out one of the
      largest screens comprising 11 of the 12 proteins of the T4P
      machinery by systematically profiling the stability and
      localization of T4P proteins in the absence of each
      individual other T4P protein in combination with mapping
      direct protein-protein interactions. Using these approaches,
      we show that assembly of the T4P machinery initiates with the
      formation of the PilQ secretin ring, assisted by its pilotin
      Tgl, in the OM. Oligomeric PilQ serves as an assembly
      platform for further T4P components. PilQ recruits TsaP, a
      peptidoglycan binding protein, as well as PilP by direct
      interactions with PilP. PilP, in turn, recruits the IM
      proteins PilN and PilO. PilP/PilO/PilN likely make up a
      complex aligning IM and OM components of the T4P machinery.
      The PilP/PilO/PilN complex recruits cytoplasmic PilM by
      direct interaction between PilN and PilM and recruits PilC,
      presumably by direct interaction between PilC and PilO.
      Finally, the ATPases PilB and PilT that power extension and
      retraction of T4P, localize independently of other T4P
      machinery proteins. In this study, we elucidate the assembly
      process and functional interactions between T4P proteins.
      This work lays the basis for further understanding of these
      functionally highly versatile surface structures.
      Interestingly, the assembly of the type II and III secretion
      systems also initiates from the OM secretin and proceeds
      inwards. Thus, an outside-in assembly pathway is emerging as
      a conserved feature in secretin-containing trans-envelope
      export machines.