title: Die Rolle der nukleotidbindenden Proteine FlhF und FlhG während der flagellen Biosynthese
title: The role of the nucleotide-binding proteins FlhF and FlhG during flagellar biosynthesis
Creators: name: Knauer, Carina
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2016
Subjects: Flagellierungsmuster , GTPase
Chemistry and allied sciences
Chemie
GTPase , Flagellation patterns

description: Das bakterielle Flagellum
      ermöglicht vielen Bakterien die Fortbewegung in ihrer
      Umgebung und repräsentiert einen der kleinsten Motoren in
      lebenden Organismen. Die Architektur des Flagellums kann in
      einen zytoplasmatischen C-Ring, einen in der Membran
      eingebetteten Basalkörper und in die extrazellulären
      Strukturen Hacken und Filament eingeteilt werden. Während die
      Struktur des Flagellums und deren Bestandteile innerhalb der
      Bakterien konserviert sind, variiert die Anzahl und die
      Lokalisation der Flagellen artspezifisch an der Bakteriellen
      Zelloberfläche. Shewanella putrefaciens besitzt
      beispielsweise nur ein Flagellum an einem Zellpol
      (monotrich), während die Lebensmittel übertragbaren Erreger
      Campylobacter jejuni eine Flagellum an beiden Zellpolen
      (amphitrich) aufweist. Im Gegensatz dazu findet man bei den
      Gram-positiven Bakterien Bacillus subtilis (peritrich) ca. 25
      Flagellen, die entlang der Zelllänge regelmäßig angeordnet
      sind und dabei die Zellpole aussparen (peritrichous). Diese
      sogenannten Muster werden bei jedem Zellteilungs-Zyklus neu
      gebildet. Welcher regulatorische Mechanismus hinter der
      Aufrechterhaltung des artspezifischen Flagellen-Musters
      steckt, ist eine der wesentlichen Fragen in der bakteriellen
      Zellphysiologie. Während der letzten zehn Jahre wurden die
      beiden Nukleotid-bindenden Proteine FlhF und FlhG als
      wichtige Akteure für die räumliche und numerische Regelung
      der Flagellen identifiziert. Bemerkenswert dabei ist, dass
      diese hoch konservierten Proteine unterschiedliche Arten von
      Flagellierungs-Mustern verwalten. Das Hauptziel dieser Arbeit
      war es, die Funktion von FlhF und FlhG während der
      Regulierung von unterschiedlichen Flagellen Mustern zu
      verstehen. Ich konnte zeigen, dass FlhF und FlhG als
      regulatorische Einheit in dem monotrichen Shewanella
      putrefaciens und dem amphitrichen Campylobacter jejuni
      agieren. Das stimmt mit der Situation in dem peritrichen B.
      subtilis überein, wo der N-terminale Bereich von FlhG die
      GTPase-Aktivität der homodimeren GTPase FlhF über einen
      konserviertes „DQAxxLR“ Motiv (x = beliebige Aminosäure)
      stimuliert. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die
      Regulation von FlhF durch FlhG in unterschiedlich
      flagellierten Bakterien hoch konserviert ist und somit
      wahrscheinlich nicht für die Vielfalt von FlhF/FlhG
      abhängigen Flagellen-Muster verantwortlich. Diese Vermutung
      wird durch eingehende biochemische und strukturelle Analysen
      der FlhG Enzyme aus Shewanella putrefaciens und Campylobacter
      jejuni unterstützt. Für ein besseres Verständnis, wie
      FlhF/FlhG als Einheit unterschiedliche Flagellen Muster
      regulieren, sollten Interactionspartner von FlhF und FlhG im
      monotrichen S. putrefaciens und im peritrichen B. subtilis
      identifiziert werden. In S. putrefaciens, konnte ich zeigen,
      dass FlhG mit den C-Ring-Protein-Komplex FliM/FliN über das
      konservierte „Eidal“ Motiv von FliM interagiert. Das steht im
      Gegensatz zur Situation in B. subtilis, wo FlhG auch mit dem
      FliM/FliY-Komplex interagiert, jedoch interagiert hier FlhG
      über ein Motiv innerhalb des N-Terminus von FliY. Diese
      Entdeckung ist einer der ersten Unterschiede zwischen einer
      FlhF/FlhG-abhängigen Regulierung eines monotrichen und
      peritrichen Flagellen-Musters. Die Suche nach
      Interaktionspartnern für FlhF, zeigt, dass FlhF mit
      Ribosomen, der SRP-RNA und mit FliM/FliN (FliY) interagiert.
      In S. putrefaciens interagiert das Drei-Domänen-Protein FlhF
      über seine N-Terminale nativ ungefaltete B-Domäne mit
      Ribosomen, SRP-RNA und dem FliM/FliN-Komplex. Untersuchungen
      der Interaktions-Bindestellen zeigten, dass diese innerhalb
      der ersten 40 Aminosäuren lokalisiert sind und teilweise
      überlappen. Des Weiteren konnte auch im peritrichen B.
      subtilis nachgewiesen werden, das FlhF mittels seiner
      B-Domäne mit dem C-Ring-Protein-Komplex FliM/FliY
      interagiert. In diesem Rahmen werden weitere Studien
      benötigt, um die molekularen Details zu klären. Während noch
      viele Fragen offen bleiben, schlage ich eine Arbeitshypothese
      vor, die das aktuelle Wissen um FlhF/FlhG und den hier
      gewonnenen Daten kombiniert und widerspiegelt.
description: Flagella are bacterial organelles
      of locomotion and present one the smallest motors in the
      living organisms. Their architecture can be divided into a
      cytoplasmic C-ring, the membrane-embedded basal body and the
      extracellular hook and filament structures. While flagellar
      structure and constituents are conserved among the bacterial
      species, number and localization of flagella at the bacterial
      cell surface are not. Instead, they appear in
      species-specific patterns that are characterized by defined
      number and places of the flagella. For example, Shewanella
      putrefaciens exhibits one flagellum at one cell pole
      (monotrichious), while the food-borne pathogen Campylobacter
      jejuni features one flagellum at both cell poles
      (amphitrichous). In contrast, the Gram-positive bacterium
      Bacillus subtilis shows approximately 25 flagella that are
      regularly spaced at the lateral sides and are absent from the
      cell poles (peritrichous). Importantly, these patterns are
      reproduced during each cycle of cell division and have been
      used as an early criterion for the taxonomic classification
      of bacteria. An essential question for understanding
      bacterial cell physiology is how these flagellation patterns
      are maintained? During the past decade, the two
      nucleotide-binding proteins FlhF and FlhG have been
      identified as key players for the spatial and numerical
      regulation of flagella. Most notably, both proteins are
      highly conserved but manage different types of flagellation
      patterns. The major aim of this work was to understand the
      function of FlhF and FlhG in regulating flagellation
      patterns. I could show that FlhF and FlhG form a regulatory
      unit in the monotrichious Shewanella putrefaciens and the
      amphitrichous Campylobacter jejuni. Similar to the situation
      in the peritrichous B. subtilis, the N-terminal fraction of
      FlhG stimulates the GTPase activity of the homodimeric GTPase
      FlhF via a conserved ‘DQAxxLR’ motif (x = any amino acid).
      These findings suggest that the regulation of FlhF by FlhG is
      highly conserved among differently flagellated bacteria and
      does probably not account for the diversity
      FlhF/FlhG-dependent flagellation patterns. This notion is
      also supported by in-depth biochemical and structural
      analysis of the FlhG enzymes from Shewanella putrefaciens and
      Campylobacter jejuni. To better understand how the FlhF/FlhG
      unit can regulate different flagellation patterns, I next set
      out to identify interaction partners of FlhF and FlhG in the
      monotrichious Shewanella putrefaciens and the peritrichous B.
      subtilis. In Shewanella putrefaciens, I could show the FlhG
      interacts with the C-ring protein complex of FliM/FliN via
      the conserved ‘EIDAL’ motif of FliM. This is in contrast to
      the situation in B. subtilis where FlhG also interacts with
      the FliM/FliY complex, however, via a motif within the
      N-terminus of FliY. This finding presents the first
      differences between FlhF/FlhG-dependent regulation of a
      monotrichious and peritrichous flagellation pattern. My
      search for interaction partners of FlhF showed that the
      protein interacts with ribosomes, the SRP-RNA and the
      FliM/FliN (FliY complex). In monotrichious Shewanella
      putrefaciens, the three-domain protein FlhF interacts via its
      N-terminal and natively unfolded B-domain with the ribosome,
      the SRP-RNA and the FliM/FliN. Definition of the binding
      sites showed that they localize within the first 40 amino
      acids of the protein and seem to partially overlap. However,
      further studies need to clarify the molecular details.
      Similarly, the B-domain of FlhF from the peritrichous B.
      subtilis also interacts with the C-ring protein complex
      FliM/FliY via the FliY protein. While many questions remain
      open, I would like to suggest a working hypothesis that
      combines and reflects the current knowledge about FlhF/FlhG
      with the data obtained in this work.