title: The small G-protein MglA connects the motility machinery to the bacterial actin cytoskeleton
title: Das kleine G-Protein MglA verbindet die Bewegungsmaschine mit dem bakteriellen Aktin-Zytoskelett
Creators: name: Hot, Edina
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2014
Subjects: cytoskeleton
Bakterien
Zytoskelett
Biowissenschaften, Biologie
fokale Adhäsionskomplexe
focal adhesions
Bewegung
bacteria
motility

description: Motility of Myxococcus xanthus
      cells is powered by two distinct engines: S-motility allows
      grouped cells movement and is driven by type IV pili (T4P) at
      the leading cell pole that use ATP for their function and
      pull the cell forward upon their retraction. Single cell
      movement is called gliding or A-motility and its AglQ/R/S
      engine is powered by proton-motive force and is incorporated
      at focal adhesion complexes in the cell. The control of
      motility and its direction is accomplished by cells rapidly
      switching their leading into lagging cell pole (cellular
      reversal), a process regulated by the small Ras-like
      G-protein MglA and its cognate GTPase activating protein
      (GAP) MglB. Using fluorescence microscopy it was previously
      shown that MglA localizes at the leading cell pole and MglB
      at the lagging cell pole and both proteins dynamically switch
      polarity during cellular reversal. Further, recent
      experiments showed that an A-motility protein AglZ, and
      A-motility engine AglQ/R/S localize at clusters distributed
      along the cell body that stay fixed relative to the
      substratum as the cell moves forming focal adhesion complexes
      (FACs). Based on the in vivo experiments it has been proposed
      that gliding motility machinery assembles at the leading cell
      pole and that it is guided by the cytoskeletal element to the
      lagging cell pole, where it disassembles. In this work we
      investigated the function of MglA during gliding motility.
      First, we demonstrate that MglA in its active state forms a
      focal adhesion cluster, which co-localizes with AglZ and
      AglQ, thus showing that active MglA is a component of the
      FACs. We show that MglA is essential for incorporation of
      AlgQ in the FACs, and that MglA GTPase cycle regulates the
      number of AglQ clusters. Further, we provide evidence that
      the GTPase negative MglA variant MglAQ82A leads to regularly
      reversing cells after movement of only one cell length, and
      that MglA GTPase cycle regulates the disassembly of the FACs
      at the lagging cell pole. Fluorescent YFP-MglAQ82A forms a
      focal adhesion cluster which appears to regularly oscillate
      between the poles, and causes the cell to move in a
      pendulum-like manner. Unlike wildtype MglA, MglAQ82A is
      insensitive to the GAP activity of MglB, and upon reaching
      the lagging cell pole where MglB localizes, it causes a
      cellular reversal by starting to oscillate in the opposite
      direction. The co-localizing YFP-MglAQ82A/AglZ-mCherry and
      YFP-MglAQ82A/AglQ-mCherry FAC also appear to continuously
      oscillate between the poles suggesting that the gliding
      motility machinery coupled to active MglA needs to be
      disassembled at the lagging cell pole by MglB GAP, and in
      this way allow uni-directional motility for distances longer
      than one cell length. Furthermore, in this work we
      demonstrate that active wt MglA and MglAQ82L variant interact
      directly with filament forming MreB actin homolog.
      Additionally, our results show that the formation and
      localization of FACs depend on intact MreB, thus indicating
      that MreB acts as a scaffold for the assembly of gliding
      motility machinery. The addition of antibiotics which inhibit
      peptidoglycan (PG) synthesis and reduce the dynamics of MreB
      in other bacteria did not inhibit single cell motility and
      did not cause mislocalization of MglA and AglQ. This strongly
      suggests that the major proposed function of MreB as a
      scaffold for PG elongation machinery is not coupled to its
      essential role during gliding motility in M. xanthus. Thus,
      we demonstrate that MreB is required for MglA, AglZ and AglQ
      localization at FACs during gliding, and this function of
      MreB is separable from its major proposed function in PG
      synthesis.
description: Myxococcus xanthus Zellen nutzen
      zur Fortbewegung zwei verschiedene Bewegungsmaschinerien. Die
      S-Bewegungsmaschinerie ermöglicht die Fortbewegung in
      Zellgruppen und wird durch Typ-IV-Pili (T4P) angetrieben. T4P
      werden am vorderen Pol ausgebildet und benötigen ATP für ihre
      Funktion, bei der die Zelle durch die Retraktion der T4P nach
      vorne gezogen wird. Die Fortbewegung von einzelnen Zellen
      wird gleitende Bewegung oder A-Bewegung genannt. Der
      antreibende Motor, bestehend aus den Proteinen AglQ/R/S, wird
      durch den Protonengradienten angetrieben und wird in fokalen
      Adhäsionskomplexen in der Zelle eingebunden. Fortbewegung und
      Bewegungsrichtung werden dadurch kontrolliert, dass M.
      xanthus Zellen in regelmäßigen Abständen ihre
      Bewegungsrichtung wechseln. Bei diesem Richtungswechsel wird
      der vordere Zellpol zum Hinteren und umgekehrt. Diese
      Richtungswechsel werden von dem kleinen Ras-ähnlichen
      G-Protein MglA und dessen GTPase-aktivierenden Protein (GAP)
      MglB reguliert. Fluoreszenzmikroskopische Untersuchungen
      haben gezeigt, dass MglA am vorderen und MglB am hinteren
      Zellpol lokalisieren und beide Proteine wechseln den Zellpol
      während eines Zellrichtungswechsels. Des Weiteren konnte
      gezeigt werden, dass das zum A-Bewegungssystem gehörige
      Protein AglZ und der Motorkomplex AglQ/R/S in Clustern
      organisiert sind, welche sich entlang der Zelle ausbilden und
      relativ zum Untergrund fixiert bleiben, während sich die
      Zelle fortbewegt. Anhand der in vivo Experimente wurde
      vermutet, dass diese fokalen Adhäsionskomplexe sich am
      vorderen Zellpol ausbilden und entlang einer
      Cytoskelett-Struktur zum hinteren Zellpol geführt werden, wo
      sie dann disassembliert werden. In dieser Arbeit haben wir
      die Funktion von MglA im Kontext des A-Bewegungssystems
      untersucht. Zunächst konnten wir demonstrieren, dass MglA in
      seiner aktiven Form, fokale Adhäsionscluster bildet, welche
      mit AglZ und AglQ ko- lokalisieren. Dies lässt vermuten, dass
      aktives MglA ein Bestandteil der fokalen Adhäsionskomplexe
      ist. Wir konnten zeigen, dass MglA für die Eingliederung von
      AglQ in die fokalen Adhäsionskomplexe essentiell ist und der
      MglA GTPase Zyklus die Anzahl der AglQ Cluster bestimmt. Des
      Weiteren konnten wir feststellen, dass die Inaktivierung der
      GTPase-Aktivität durch die Mutation Q82A in MglA dazu führt,
      dass die Zellen regelmäßig die Bewegungsrichtung ändern,
      wobei sie lediglich eine Zelllänge zurücklegen, was vermuten
      lässt, dass die GTPase-Aktivität von MglA die
      Disassemblierung der fokalen Adhäsionskomplexe am hinteren
      Zellpol reguliert. Das Fusionsprotein YFP-MglAQ82A
      lokalisiert in einem fokalen Adhäsionskomplex, welcher
      regelmäßig zwischen beiden Zellpolen oszilliert, was dazu
      führt, dass sich die Zelle wie ein Pendel hin und her bewegt.
      Im Gegensatz zu dem Wildtyp Protein MglA, kann das Protein
      MglAQ82A nicht von MglB aktiviert werden. Erreicht MglAQ82A
      den hinteren Zellpol an dem MglB sitzt, so wird ein
      Zellrichtungswechsel ausgelöst, indem MglAQ82A wieder in die
      entgegengesetzte Richtung oszilliert. Die Ko-Lokalisierung
      der Proteine YFP-MglAQ82A/AglZ-mCherry und
      YFP-MglAQ82A/AglQ-mCherry zeigte, dass diese ebenfalls
      kontinuierlich zwischen beiden Zellpolen oszillieren. Daher
      vermuten wir, dass die Bewegungsmaschinerie mittels fokaler
      Adhäsionskomplexe an MglA gekoppelt ist und am hinteren Pol
      durch MglB GAP disassembliert werden muss, um die Bewegung in
      eine Richtung zu ermöglichen. Darüber hinaus konnten wir
      demonstrieren, dass MglA, als auch MglAQ82A direkt mit dem
      Filament-bildenden, Actin-homologen Protein MreB
      interagieren. Wir konnten zeigen, dass die Ausbildung und
      Lokalisierung der fokalen Adhäsionskomplexe von MreB abhängig
      sind, was bedeutet, dass MreB vermutlich als eine Art Gerüst
      für das A-Bewegungssystem dient. Die Zugabe von Antibiotika,
      welche die Peptidoglycan-Synthese inhibieren und das
      dynamische Verhalten von MreB in anderen Bakterien
      reduzieren, hat weder die gleitende Bewegung von einzelnen
      Zellen inhibiert, noch die Mislokalisierung von MglA oder
      AglQ zur Folge gehabt. Daraus schließen wir, dass die
      Funktion von MreB als Gerüst während der
      Peptidoglycansynthese unabhängig von dessen Funktion in der
      Fortbewegung in M. xanthus ist. Folglich konnten wir in
      dieser Arbeit zeigen, dass MreB für die Organisation von
      MglA, AglQ und AglZ in fokalen Adhäsionskomplexen während der
      gleitenden Bewegung benötigt wird und, dass diese Funktion
      von MreB unabhänig von dessen Funktion in der
      Peptidoglycansynthese ist.