title: Strukturelle und funktionelle Analysen der Homöostase und Typ-III-Sekretion von flagellin
title: Structural and functional studies on the homeostasis and type-III-secretion of flagellin
Creators: name: Altegoer, Florian
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2017
Subjects: Post-transkriptionelle Regulation
Life sciences
Biowissenschaften, Biologie
Typ-III-Sekretion, Flagellum
type-III-secretion, flagellum
Post-transcriptional regulation

description: Die Fähigkeit günstige
      Lebensbedingungen zu finden und ungünstige zu vermeiden, ist
      ein zentraler Aspekt für die Überlebensfähigkeit vieler
      Bakterienarten. Das bakterielle Flagellum stellt einen der
      kleinsten Motoren in der Biosphäre dar, weist aber dennoch
      eine komplexe Architektur auf und besteht aus mehr als 30
      unterschiedlichen Proteinen. Das Flagellum kann wie folgt
      untergliedert werden: Der zentrale Basalkörper ist in der
      Membran verankert und bietet das Grundgerüst für ein langes,
      helikales Filament, das über einen „Haken“ mit dem
      Basalkörper verbunden ist. Der flagellare
      Assemblierungsprozess umfasst eine Vielfalt an
      regulatorischen Faktoren und ist hierarchisch sowohl
      transkriptionell, als auch post-transkriptionell und
      translational organisiert. Darüber hinaus ist die Biogenese
      eines Flagellums streng sequentiell und erfordert so die
      Fertigstellung eines „Bauabschnittes“ bevor ein neuer
      begonnen werden kann. Das Filament ist aus mehr als 20.000
      Kopien des Proteins Flagellin aufgebaut, dessen Moleküle in
      einem helikalen Muster angeordnet werden. Zwei Proteine, CsrA
      und FliW, regulieren die Flagellin Produktion über einen
      posttranskriptionellen Mechanismus. Dieser stellt sicher,
      dass nur dann Flagellin translatiert wird, wenn die
      zytoplasmatischen Level des Proteins niedrig sind, es also
      direkt sekretiert wird. Ein drittes Protein, das intrinsische
      Chaperon FliS, ist essentiell für die Erkennung und
      effiziente Sekretion von Flagellin. Zusammen kontrollieren
      diese Proteine die Produktion von Flagellin, so dass die
      zytoplasmatische Flagellin Konzentration um einen schmalen
      Schwellenwert oszilliert. Ziel dieser Arbeit ist es die
      molekularen Details der Flagellin Homöostase aufzuklären. In
      Enterobakterien wird der CsrA Aktivität durch kleine,
      nicht-kodierende RNAs (sRNAs), die als kompetetive
      Inhibitoren agieren, entgegengewirkt. Im Gegensatz dazu
      kontrolliert FliW das CsrA Protein allosterisch in einer
      Vielzahl flagellierter Bakterien. Diese Art der CsrA
      Regulation stellt vermutlich den evolutionär ursprünglichen
      Zustand in Eubakterien dar. Weiterhin wird in dieser Arbeit
      gezeigt, dass die Wechselwirkung von FliW und Flagellin
      entweder direkt co-translational zu sein scheint oder aber
      nah im ribosomalen Kontext stattfindet. Dies erlaubt die
      Kopplung von Flagellin Homöostase und Sekretion.
      Weiterführende Untersuchungen, die in dieser Studie
      durchgeführt wurden, zeigen den Einfluss von Bactofilinen auf
      den Prozess der Flagellen-Biosynthese. Diese ubiquitäre
      Klasse von Proteinen erinnert an Zytoskelettproteine, scheint
      aber eher ein dynamisches Gerüst für VIII verschiedene
      Prozesse zu bilden. In B. subtilis sind die Bactofiline BacE
      und BacF am Aufbau der Flagelle beteiligt, möglicherweise am
      Aufbau des „Hakens“. Weiterhin wird eine Interaktion von BacE
      mit FliW gezeigt und damit eine Verbindung zur Flagellin
      Homöostase. Abschließend liefert diese Arbeit ein Modell,
      dass die Kopplung von Homöostase und Sekretion von Flagellin
      auf struktureller Basis erklärt.
description: The ability to move towards
      favorable and avoid unfavorable conditions is key to the
      survival of many bacterial species. Bacterial movement relies
      on a sophisticated nanomachine, the flagellum. Despite being
      one of the tiniest motors in the biosphere, the flagellum
      exhibits a complex architecture and is composed of more than
      30 different proteins in diverse stoichiometries. Flagellar
      architecture can be subdivided into a membrane-embedded basal
      body, a hook and a long helical filament. The process of
      flagellar assembly involves a plethora of accessory factors
      and is organized at different stages on the transcriptional,
      post-transcriptional and translational level. Furthermore,
      biogenesis of a flagellum is strictly sequential and requires
      the completion of a building phase prior to initiating the
      next one. The most abundant constituent within a flagellum is
      the protein flagellin that assembles into a helical filament
      with more than 20.000 monomers. The two proteins CsrA and
      FliW regulate flagellin homeostasis via a posttranscriptional
      mechanism only allowing flagellin translation when
      cytoplasmic levels are low, thereby ensuring that flagellin
      is directly secreted after production. A third protein, the
      intrinsic chaperone FliS is essential for the recognition and
      efficient secretion of flagellin. Together these proteins
      couple translation to secretion of flagellin and keep
      cytoplasmic flagellin concentrations around a low and narrow
      threshold. This work aims at unraveling the molecular
      mechanisms by which the above-named proteins regulate
      flagellin homeostasis. In enterobacteria CsrA activity is
      antagonized by small non-coding RNAs (sRNAs) that act as
      competitive inhibitors. Conversely, the FliW protein
      allosterically controls CsrA in a variety of flagellated
      bacteria, which seems to represent the ancestral state of
      CsrA regulation. This work furthermore demonstrates that
      interaction of FliW and flagellin seems to be cotranslational
      or strongly associated with translating ribosomes, therefore
      coupling homeostasis and secretion. Another level of
      regulation elucidated in this study is the influence of
      bactofilins on the process of flagellar biogenesis. This
      ubiquitous class of proteins is reminiscent of cytoskeleton
      factors but seems to rather provide a dynamic scaffold for
      diverse processes. In B. subtilis the bactofilins BacE and
      BacF are involved in flagellar assembly at the stage of
      hook-completion but BacE also directly interacts with FliW.
      Finally, this work includes a model explaining the coupling
      of homeostasis and secretion of flagellin at atomic
      resolution.