title: Establishment and maintenance of cell polarity in Myxococcus xanthus
Creators: name: Carreira, Luís António Menezes
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2020
Subjects: Life sciences
Biowissenschaften, Biologie
MglA, MglB, Bakterienmotilität, Prokaryoten, Bakterielle Zellpolarität, Biowissenschaften

description: Polarität von Zellen, die asymmetrische Verteilung von Proteinen in der Zelle, liegt grundlegenden Prozessen in allen Zellen zugrunde. Motile, polare Zellen besitzen eine Front-End Polaritäts-Axe, die dynamischen Änderungen durch externe Signale unterliegt. Die stäbschen-förmigen M. xanthus Zellen bewegen sich mit definierter Front-End Polarität. Als Reaktion auf ein Signal vom Frz chemosensorischen System wird diese Polarität invertiert und die Bewegungsrichtung der Zellen umgedreht. Front-End Polarität wird durch das Polaritäts-Modul etabliert, das aus der kleinen GTPase MglA und den verwandten GEF RomR/RomX und GAP MglA besteht. Diese vier Proteine lokalisieren asymmetrisch zu den Zell-Polen, wobei RomR/RomX und MglB hauptsächlich am hinteren Zellpol lokalisieren und MglA hauptsächlich am vorderen Zellpol. Als Reaktion auf ein Frz Signal welchseln die Proteine ihren Pol und die Front-End Polarität wird invertiert. Wir haben eine Kombination aus quantitativen Experimenten und daten-basierter Theorie benutzt um die Design-Prinzipien aufzudecken, die dem Entstehen von Polarität in M. xanthus zugrunde liegen. Durch das Untersuchen jedes Polaritäts-Proteins in Isolation, mit RomR als Proxy für den RomR/RomX-Komplex, und ihres Effekts in der systematischen Rekonstruktion des Systems leiten wir das Interaktions-Netzwerk zwischen den Polaritäts-Proteinen durch präzise in vivo Techniken zur quantifizierung der subzellulären Protein-Lokalisation ab. Den Kern des Interaktions-Netzwerkes bilden zwei positive Feedbacks, wobei RomR die eigene polare Lokalisation stimuliert und sich RomR und MglB gegenseitig am Pol rekrutieren. Gleichzeitig wird ein negatives Feedback durch MglA erzeugt, das von RomR rekrutiert wird, jedoch die gegenseitige Rekrutierung zwischen RomR/MglB inhibiert. Weiter konnten wir identifizeren, dass MglC eine wichtige Rolle im RomR/MglB Feedback spielt, indem es die GEF/GAP Interaktion am hinteren Zellpol erlaubt und so die Asymmetrie etabliert. Unsere Ergebnisse zeigen weiter, dass kontinuiertliche Zyklen zwischen MglA-GTP und MglA-GDP essentiell für die Entstehung von Polarität und die Regulation von Polaritäts-Wechseln sind. Durch FRAP Experimente und photoaktivierbare Protein-Fusionen zeigen wir, dass MglB, MglC und RomR in einem dreigliedrigen Komplex partizipieren, in dem die Umsatzrate durch die Aktivität von MglA bestimmt wird. Wir rationalisieren das Lokalisations-Model von GEF und GAP als Bereitstellung einer stabilen Asymmetrie, die jedoch auf Signale reagieren kann und durch Frz Signale invertiert werden kann. Unsere Ergebnisse haben nicht nur Bedeutung für das Verständnis von Polarität und Motilität in M. xanthus, sondern allgemein für das Verständnis von dynamischer Polarität in Bakterien sowie eukaryotischen Zellen.
description: Cell polarity, the asymmetric distribution of proteins within cellular space, underlies key processes in all cells. Motile polarized cells have a front-rear polarity axis that can change dynamically in response to external signals. The rod-shaped M. xanthus cells move with well-defined front-rear polarity. In response to signaling by the Frz chemosensory system this polarity is inverted, and cells reverse their direction of movement. Front-rear polarity is established by a polarity module consisting of the small GTPase MglA, its cognate GEF RomR/RomX and GAP MglB. All four proteins localize asymmetrically to the cell poles with RomR/RomX and MglB mostly at the lagging pole and MglA mostly at the leading pole. In response to Frz signaling, the four proteins switch poles and front-rear polarity is inverted. We used a combination of quantitative experiments and data-driven theory to uncover the design principles underlying the emergence of polarity in M. xanthus. By studying each of the polarity proteins in isolation, using RomR as a proxy for the RomR/RomX complex, and their effects as we systematically reconstruct the system, using precise in vivo techniques to quantify subcellular protein localization, we deduced the network of effective interactions between the polarity proteins. At the core of this interaction network are two positive feedbacks whereby RomR stimulates its own polar recruitment and RomR and MglB mutually recruit one another to the poles. At the same time, a negative feedback is established through MglA, which is recruited by RomR but inhibits RomR/MglB mutual recruitment. Moreover, we identify the MglC protein as important for the RomR/MglB positive feedback, allowing the GEF/GAP pairing at the lagging pole and the establishment of the asymmetry. Our results further show that continuous cycling of MglA is crucial for the emergence of polarity and in the regulation of polarity switching during reversals. Through FRAP experiments and Photoactivatble protein fusions, we reveal that MglB, MglC and RomR participate in a tripartite cluster in which turnover is regulated by MglA activity. We rationalize the localization pattern of the GEF and GAP as providing stable asymmetry while remaining responsive and capable of polarity inversions in response to Frz signaling during cellular reversals. Our results not only have implications for the understanding of polarity and motility in M. xanthus but also for dynamic cell polarity more broadly in bacteria as well as in eukaryotic cells.