title: Investigating the Function and the Interaction Network of the Flagellar Regulator ATPase FlhG
title: Untersuchung der Funktion und des Interaktionsnetzwerkes des Flagellaren Regulators FlhG
Creators: name: Schuhmacher, Jan Simon
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2015
Subjects: C-ring , Shewanella
Shewanella
Flagellum
Geißel
FlhG
Chemistry and allied sciences
Chemie
Mikroorganismus
FlhG , C-ring
Bacillus
Enzym

description: Motilität ist ein zentraler Aspekt
      der Überlebensstrategie von Bakterien. Viele Bakterien
      bewegen sich mit Hilfe komplexer makromolekularer Motoren,
      Geißeln oder Flagellen genannt. Diese sind in speziellen
      Mustern auf der Zelloberfläche verteilt und werden im
      Folgenden Flagellierungsmuster genannt. Trotz der
      unglaublichen Vielzahl unterschiedlicher Bakterien finden
      sich in der Natur nur eine Hand voll dieser flagellaren
      Muster. Darüber, wie diese Muster nach jeder Zellteilung
      reproduzierbar und präzise ausgebildet werden, liegen nur
      spärlich Informationen vor. Zwei Proteine, FlhF und FlhG,
      spielen in diesem Zusammenhang eine wichtige Rolle und führen
      zu unterschiedlichen Mustern in den jeweiligen Bakterien.
      Diese Arbeit beinhaltet eine biochemische und strukturelle
      Charakterisierung der ATPase FlhG, die die Funktion von FlhG
      als molekularen Schalter hervorhebt. FlhG kann einerseits als
      Dimer in Membran-assoziiertem Zustand vorliegen, andererseits
      als Monomer frei im Zytoplasma diffundieren. Homologe
      Proteine in den unterschiedlich flagellierten Bakterien B.
      subtilis und S. putrefaciens weisen dieselben
      charakteristischen Merkmale auf und deuten auf ein
      einheitliches Funktionsprinzip der ATPase hin. FlhG
      interagiert in beiden Organismen mit den Proteinen FliM und
      FliN(Y) des flagellaren C-rings und offenbart dabei seinen
      Beitrag zum Aufbau des flagellaren C-rings indem es die
      Interaktion des FliM/FliN(Y)-Komplexes mit FliG ermöglicht.
      Weitere Untersuchungen des Interaktionsnetzwerkes von FlhG in
      beiden Organismen zeigten sowohl speziesübergreifende
      (FliM/FliN(Y)) als auch speziesspezifische
      Interaktionspartner, darunter das Zellteilungsprotein GpsB in
      B. subtilis und der Hauptregulator der Flagellenbiosynthese
      FlrA in S. putrefaciens. Daraus lässt sich ableiten, dass die
      unter-schiedlichen Flagellierungsmuster nicht direkt durch
      FlhG bestimmt werden, je-doch in der Struktur des
      Interaktionsnetzwerkes von FlhG und FlhF kodiert sind.
      Darüber hinaus deutet die Variabilität des C-ring Proteins
      FliN(Y) in unterschiedlichen Bakterien, das mit der
      Ausbildung unterschiedlicher Muster korreliert, in dieselbe
      Richtung. Außerdem wurde im Rahmen dieser Arbeit in enger
      Zusammenarbeit mit der Massenspektrometrie Abteilung der
      Chemischen Fakultät der Universität Marburg eine Technik zur
      Untersuchung von Proteinen mit Hilfe von
      Wasserstoff/Deuterium Austausch etabliert. Die erfolgreiche
      Anwendung wird in dieser Arbeit am Beispiel von drei
      unterschiedlichen Projekten beschrieben und zeigt die
      Vorteile dieser Methode zur Bestimmung von Portein-Ligand und
      Protein-Protein Interaktionsoberflächen.
description: Motility plays a key role for the
      superior survival strategy of many bacteria. Sophisticated,
      macromolecular machines, called flagella, serve as bacterial
      locomotion organelles. These flagella appear in distinct
      spatial arrangements along the bacterial cell, constituting
      the flagellation patterns, whose disruption is detrimental to
      motility. However, the number of flagellation patterns that
      have arisen in a plethora of bacterial species can be counted
      by the fingers of one hand. How these patterns are
      established in the first place, and how they are maintained
      during cell division, remains a yet unassessed task in the
      field. Two nucleotide-binding proteins, FlhF and FlhG, were
      identified to be crucial for the spatial regulation of
      flagella in most flagellated bacteria, which exhibit various
      flagellation patterns. This work presents a structural and
      biochemical characterization of the flagella regulating
      ATPase FlhG, which revealed its function as a molecular
      switch, having a dimeric, membrane-associated state and a
      mobile, monomeric state in the cytoplasm. This hallmark
      feature of MinD/ParA ATPases is conserved in FlhG of
      peritrichous B. subtilis as well as monotrichous S.
      putrefaciens. In both organisms FlhG interacts with the
      flagellar C-ring components FliM and FliN(Y) providing
      insight into its role as a flagellar C-ring assembly factor,
      coordinating the assembly of a FliM/FliN(Y) complex to FliG.
      Differences in the regulatory networks underlying different
      flagellation patterns were identified in species-specific
      interaction partners of FlhG, such as the flagellar master
      regulator FlrA in S. putrefaciens or the late divisome
      component GpsB in B. subtilis. These findings led to the
      hypothesis that the spatial arrangement of flagella is
      encoded in the structure of the interaction network of FlhF
      and FlhG. This hypothesis is supported by the occurrence of
      varying C-ring components in differently flagellated
      bacteria. This work also includes the implementation and
      successful application of 1H/2H exchange mass spectrometry in
      Marburg. Not only does this powerful tool allow the
      convenient investigation of protein dynamics, but also the
      rapid mapping of protein-protein and protein-ligand
      interfaces. Interface mapping, in particular, revealed the
      power of this method and was applied in various research
      projects.