Qualitätsmanagement während der Assemblierung von bakteriellen Typ III Sekretionssystemen – eine vergleichende Studie des Aufbaus von Flagellen und Injektisomen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Dieses Kooperationsprojekt beleuchtete zwei sich ergänzende Aspekte des Typ-III-Sekretionssystems (T3SS) in Bakterien: Einerseits wurde die Qualitätskontrolle bei der Assemblierung des flagellaren T3SS (fT3SS) untersucht, insbesondere die Rolle des Membran-assoziierten Chaperons FliO und des spaltbaren Signalpeptids von des Kanalproteins FliP. Andererseits wurde die genetische Organisation des virulenzassoziierten T3SS (vT3SS) am Beispiel von Salmonella Typhimurium untersucht und es wurde gezeigt, wie eng die Genanordnung mit einer effizienten Exportapparat-Assemblierung verknüpft ist. Der erste Teil des Projekts konzentrierte sich auf den Aufbau des Kern-Exportapparats beim fT3SS. Frühere Arbeiten deuteten bereits auf eine schrittweise Assemblierung hin: FliP formt zunächst ein Homo-Pentamer, dessen Stabilität durch FliO gefördert wird, gefolgt von FliR und schließlich FliQ. Mit in vivo Photo-Crosslinking-Experimenten konnte gezeigt werden, dass FliO in allen Stadien des Aufbaus an FliP bindet und bis zur Fertigstellung des Komplexes im Verbund bleibt. Zusätzlich rückte das spaltbare Signalpeptid von FliP in den Fokus, das bei Prokaryoten eher ungewöhnlich ist. Die korrekt ausgeführte Spaltung des Signalpeptids scheint eine eindeutige Membrantopologie zu gewährleisten und unterstützt damit die Funktion des gesamten Systems. Da das Injektisom-Homolog SpaP kein solches Signalpeptid besitzt, stellt sich die Frage, warum fT3SS-Proteine auf zusätzliche topogene Signale angewiesen sind. Hybridmutanten bestätigten, dass der SpaP-N-Terminus die Rolle des FliP-Signalpeptids nicht ersetzen kann, sodass die Eigenheiten des fT3SS offenbar eine spezifische Anpassung erfordern. Der zweite Teil des Projekts widmete sich der Genorganisation des Exportapparats im vT3SS. Eine umfassende Analyse von 1739 Bakterienspezies die ein T3SS kodieren, zeigte eine ausgeprägte Syntenie in den Genen sctR, sctS und sctT, während sctU weniger stark gekoppelt vorliegt. Um zu ermitteln, wie sich eine veränderte Genreihenfolge auf die Assemblierung des Exportapparats auswirkt, wurden verschiedene „Scrambling“-Stämme generiert, in denen die Reihenfolge von sctRSTU gezielt verändert wurde. Das Ergebnis war eine drastische Verringerung der Sekretionsleistung, begleitet von Instabilitäten und Fehlfaltungen insbesondere bei SctT. Eine wichtige Rolle spielt dabei eine mRNA-Stem-Loop- Struktur, die eine translationskoppelnde Regulation von sctT bewirkt. Entfernt man diese Struktur oder trennt sctS von sctT durch Spacer-Sequenzen, kommt es zu einer Überproduktion von SctT, das sich spontan zu nicht-funktionellen Poren zusammenlagert. Diese Fehlassemblierung behindert den korrekten Aufbau des Kernkomplexes und legt nahe, dass präzise Kopplung und strikte Regulation essenziell sind, um die Membranintegration der Exportapparat-Proteine zu steuern. Insgesamt veranschaulichen die Ergebnisse, dass das T3SS auf hochgradig abgestimmte Qualitätskontroll- und Regulationsmechanismen angewiesen ist. Bei der Flagellenassemblierung ist dies insbesondere durch das Membran-assoziierte Chaperon FliO und das spaltbare Signalpeptid in FliP gewährleistet, während beim virulenzassoziierten T3SS die Genanordnung und eine translationskoppelnde Struktur im Mittelpunkt stehen. Beide Strategien zeigen, wie feinjustierte topologische Signale und genetische Kopplungen für die Funktion dieser komplexen Proteinexportmaschinen sorgen – sei es bei der bakteriellen Motilität oder bei der Virulenz.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Blue Native PAGE Analysis of Bacterial Secretion Complexes. Methods in Molecular Biology, 331-362. Springer US.
Zilkenat, Susann; Kim, Eunjin; Dietsche, Tobias; Monjarás Feria, Julia V.; Torres-Vargas, Claudia E.; Mebrhatu, Mehari Tesfazgi & Wagner, Samuel
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Virulence-associated type III secretion systems in Gram-negative bacteria. Microbiology, 169(6).
Pais, Sara Vilela; Kim, Eunjin & Wagner, Samuel
