title: Regulation of type IV pili formation and function by the small GTPase MglA in Myxococcus xanthus
Creators: name: Potapova, Anna
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2019
Subjects: Life sciences
Biowissenschaften, Biologie

description: Myxococcus xanthus cells are rod-shaped and move in the direction of their long axis, using two distinct motility systems. Adventurous gliding (A-) depends on the Agl/Glt motility complexes that assemble at the leading pole, adhere to the substratum, and disassemble at the lagging pole. Social (S-) motility depends on type IV pili (T4P) that localize at the leading cell pole. T4P are anchored in the cell envelope and pull cells forward through cycles of extension, surface adhesion and retraction powered by the T4P machine. This machine includes 10 proteins spanning the outer membrane, periplasm, inner membrane and cytoplasm. Most of the proteins in the machine form stationary complexes at the two poles while the two ATPases PilB and PilT localize mostly at the leading and lagging pole, respectively. M. xanthus cells occasionally stop and resume movement in the opposite direction. These reversals are regulated by the Frz chemosensory system. During reversals the old lagging pole becomes the new leading and vice versa, the two motility systems invert polarity and after a reversal, T4P are formed at the new leading pole. Thus, T4P can assemble at both poles but at any point in time, T4P only assemble at one pole. The mechanism(s) underlying unipolar T4P formation during cell movement remains unknown. The small GTPase MglA is essential for motility in M. xanthus. MglA cycles between the active MglA-GTP state, which is essential for motility, and the inactive MglA-GDP state. MglA is activated by the RomR/RomX complex, which has guanine nucleotide exchange factor (GEF) activity, and is inhibited by MglB, which is a GTPase activating protein (GAP). MglA-GTP mostly localizes to the leading pole while MglB as well as RomR/RomX localize in bipolar, asymmetric pattern with the large cluster at the lagging pole. RomR/RomX recruits MglA-GTP to the leading pole while MglB excludes MglA-GTP from the lagging pole by converting MglA-GTP to MglAGDP. Among these four proteins, only MglA is essential for T4P-dependent motility. However, the precise function of MglA for the T4P-dependent motility remains unclear. Here, we demonstrate that MglA-GTP stimulates T4P formation and function while MglB ensures T4P unipolarity by excluding MglA-GTP from the lagging pole. Moreover, we identify the TPR domain-containing protein SgmX and show that it is important for T4P formation. Epistasis analyses support that MglA-GTP and SgmX act in the same genetic pathway and that SgmX acts downstream of MglA-GTP. In vitro analyses support that SgmX interacts directly with MglA-GTP. Additionally, SgmX stimulates polar accumulation of the PilB extension ATPase. Based on these findings, we propose a model in which MglA-GTP stimulates T4P assembly via direct interaction with SgmX, which in turn interacts with PilB to stimulate T4P extension.
description: Die stäbchenförmigen Zellen von Myxococcus xanthus bewegen sich durch zwei Motilitätssysteme entlang ihrer Längsachse fort. Abenteuerliches Gleiten („adventurous gliding“) ist abhängig von den Agl/Glt Komplexen, die am führenden Zellpol zusammengebaut werden, sich an das Substrat anheften und am nachfolgenden Zellpol abgebaut werden. Soziale Motiliät ist auf Typ 4 Pili (T4P) angewiesen, die am führenden Zellpol lokalisieren. T4P sind in der Zellhülle verankert und ziehen die Zellen durch einen Kreislauf aus Extension, Oberflächenanheftung und Retraktion nach vorne. Dieser Prozess wird durch den T4P Apparat angetrieben, der aus zehn Proteine besteht und sich über die äußere Membran, das Periplasma, die innere Membran sowie das Zytoplasma erstreckt. Die meisten dieser Proteine bilden unbewegliche Komplexe an den zwei Polen, während die zwei ATPasen PilB und PilT hauptsächlich am führenden beziehungsweise am nachfolgenden Zellpol lokalisieren. M. xanthus Zellen halten gelegentlich an und bewegen sich anschließend in die entgegen entgegengesetzte Richtung weiter. Diese Zellumkehrungen werden durch das Frz chemosensorische System reguliert. Während dieser Umkehrung wird der ehemalig nachfolgende Zellpol zum neuen führenden Pol und andersherum und die zwei Mobilitätssysteme stellen ihre Polaritäten um. Nach der Zellumkehrung werden T4P am neuen führenden Pol gebildet. Folglich können T4P an beiden Zellpolen gebildet werden, aber sind stets nur ein an einem der beiden Pole zu finden. Der Mechanismusm, der zur einpoligen Ausbildung von T4P während der Bewegung der Zelle führt, ist nicht bekannt. Die kleine GTPase MglA ist essentiell für die Fortbewegung von M. xanthus. MglA zirkuliert zwischen dem inaktiven MglA-GDP Zustand und dem aktiven MglA-GTP Zustand, der unentbehrlich für die Fortbewegung ist. MglA wird durch den RomR/RomX Komplex aktiviert, der die Aktivität eines Guanin-Nukleotid-Faktor besitzt, und durch das GTPase aktivierende Protein MglB gehemmt. Während sich MglA-GTP meistens am führenden Zellpol befindet, lokaliseren MglB und der RomR/RomX Komplex bipolar und asymmetrisch mit einem großen Cluster am nachfolgenden Zellpol. RomR/RomX rekrutiert MglA-GTP zum führenden Pol während MglB MglA-GTP vom nachfolgenden Pol ausgrenzt, indem es MglA-GTP zu MglA-GDP umsetzt. Von diesen Proteinen ist nur MglA essentiell für T4P-abhängiger Motilität, wobei hier die genaue Funktion von MglA noch unbekannt ist. Unsere Ergebnisse zeigen, dass MglA-GTP die Bildung und Funktion von T4P stimuliert, während MglB die Einpolarität von T4P durch Ausschluss von MglA-GTP vom nachfolgenden Zellpol gewährleistet. Außerdem identifizieren wir das Protein SgmX mit TPR-Domäne und zeigen, dass es eine wichtige Rolle bei der Bildung von T4P übernimmt. Epistase-Analysen unterstützen die Vermutung, dass MglA-GTP und SgmX im selben genetischen Signalweg beteiligt sind, wobei SgmX nach MglA-GTP agiert. In vitro Untersuchungen befürworten eine direkte Interaktion zwischen SgmX und MglA-GTP. SgmX stimuliert zudem die polare Anreicherung der ExtensionsATPase PilB. Anhand dieser Ergebnise schlagen wir ein Modell vor, in dem MglA-GTP durch direkte Interaktion mit SgmX den Zusammenbau von T4P stimuliert. SgmX wiederum interagiert mit PilB, um die Extension von T4P anzuregen.