Dynamics in Bacterial Flagellar Systems
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Dynamics in bacterial flagellar systems Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades Doktor der Naturwissenschaft (Dr. rer. nat.) dem Fachbereich Biologie der Philipps-Universität Marburg (HKZ: 1180) am 2.5.2016 vorgelegt von Susanne Brenzinger geboren in Dormagen Erstgutachter: Prof. Dr. Kai Thormann Zweitgutachter: Prof. Dr. Victor Sourjik Tag der Disputation: Marburg an der Lahn, 2016 Die Untersuchungen zur vorliegenden Arbeit wurden von November 2011 bis April 2016 unter der Leitung von Prof. Dr. Kai Thormann am Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie in Marburg an der Lahn und am Institut für Molekularbiologie und Mikrobiologie an der Justus-Liebig-Universität Gießen durchgeführt. Vom Fachbereich Biologie der Philipps-Universität Marburg (HKZ: 1180) als Dissertation angenommen am: Erstgutachter: Prof. Dr. Kai Thormann Zweitgutachter: Prof. Dr. Victor Sourjik Tag der Disputation: Die in dieser Dissertation beschriebenen Ergebnisse sind in folgenden Publikationen veröffentlicht bzw. zur Veröffentlichung vorgesehen: Chapter 2 Paulick A., Delalez N.J., Brenzinger S., Steel B.C., Berry R.M., Armitage J.P., Thormann K.M. (2015) Dual stator dynamics in the Shewanella oneidensis MR-1 flagellar motor. Mol Microbiol. 96(5):993-1001. Chapter 3 Brenzinger S., Dewenter L., Delalez N.J., Leicht O., Berndt V., Berry R.M., Thanbichler M., Armitage J.P., Maier B., Thormann K.M. Mechanistic consequences of functional stator mutations in the bacterial flagellar motor. Mol Microbiol. Submitted Chapter 4 Brenzinger S., Rossmann F., Knauer C., Dörrich A.K., Bubendorfer S., Ruppert U., Bange G., Thormann K.M. (2015) The role of FlhF and HubP as polar landmark proteins in Shewanella putrefaciens CN-32. Mol Microbiol. 98(4):727-42. Ergebnisse aus Projekten, die in dieser Dissertation nicht erwähnt wurden, sind in folgender Originalpublikation veröffentlicht: Dwarakanath S., Brenzinger S., Gleditzsch D., Plagens A., Klingl A., Thormann K., Randau L. (2015) Interference activity of a minimal Type I CRISPR-Cas system from Shewanella putrefaciens. Nucleic Acids Res. 43(18):8913-23. Erklärung Ich versichere, dass ich meine Dissertation „Dynamics in bacterial flagellar systems“ selbständig und ohne unerlaubte Hilfe angefertigt habe und mich keiner als der von mir ausdrücklich bezeichneten Quellen und Hilfen bedient habe. Diese Dissertation wurde in der jetzigen oder ähnlichen Form noch bei keiner anderen Hochschule eingereicht und hat noch keinen sonstigen Prüfungszwecken gedient. Marburg an der Lahn, 29.4.2014 ________________________________ Susanne Brenzinger Seht ihr den Mond dort stehen? Er ist nur halb zu sehen, Und ist doch rund und schön! So sind wohl manche Sachen, Die wir getrost belachen, Weil unsre Augen sie nicht sehn. Matthias Claudius Content Summary _________________________________________________________________ 1 Zusammenfassung _________________________________________________________ 2 Chapter 1: Introduction ___________________________________________________ 4 Initial remarks ______________________________________________________ 5 The flagellar architecture and organization _______________________________ 6 The flagellar motor ___________________________________________________ 8 Dynamic adaptation of flagellar function __________________________________ 11 Landmark proteins in flagellar motility ___________________________________ 15 Aims ______________________________________________________________ 17 Sources ____________________________________________________________ 19 Chapter 2: Dual stator dynamics in the Shewanella oneidensis MR-1 flagellar motor ___ 28 Chapter 3: Mechanistic consequences of functional stator mutations in the bacterial flagellar motor _______________________ 47 Chapter 4: The role of FlhF and HubP as polar landmark proteins in Shewanella putrefaciens CN-32 _________________________ 80 Chapter 5: Discussion ____________________________________________________ 118 Initial remarks ______________________________________________________ 119 Two for one: Two stator complexes power flagellar rotation of S. oneidensis MR-1 __ 120 One for many: HubP recruits a diverse set of components to the cell pole _______ 127 Final remarks ______________________________________________________ 132 Sources ____________________________________________________________ 133 Abbreviations _____________________________________________________________ 139 Acknowledgement _________________________________________________________ 140 Curriculum vitae __________________________________________________________ 141 Summary Summary Bacterial cells are highly organized with respect to their shape, structure or function. In particular flagellar motility and chemotaxis of many bacteria require a precise spatiotemporal regulation of the corresponding components to avoid wasting energy. Despite the tight regulation, flagellar motility and chemotaxis are also targets of adaptation in response to extra- and intracellular cues. The balance between tight regulation and flexible adaptation allows bacteria to efficiently thrive in changing and potentially nutrient limiting environments. This thesis focuses on the adaptation of the flagella-mediated motility of the γ-proteobacterium Shewanella oneidensis MR-1 by dynamically exchanging one of its motor components and a system in Shewanella putrefaciens CN-32 that ensures proper polar localization of several proteins, among them the chemotaxis system. S. oneidensis MR-1 possesses a single polar flagellar system but harbors two types of ion-channels, the so-called stators, that power flagellar rotation. The second chapter demonstrates that both stators, the native Na+-dependent PomAB and putatively acquired H+-dependent MotAB complex, are solely sufficient to drive motility in liquid environments and may interact with the flagellar rotor in varying configurations depending on sodium-ion concentrations, likely forming a hybrid motor. The principal environmental cue that can be integrated and reacted to by PomAB/MotAB stator swapping is the external Na+ concentration. Functionality of MotAB on the other hand seems to be tied to the membrane potential and load on the flagellum. Some limitations of MotAB can be overcome by small point mutations in the plug domain of MotB, likely by changing the MotAB channel properties and/or its mechanosensing capability. The second system studied was a landmark protein that serves as an organizational platform involved in different cellular processes including chemotaxis. This transmembrane protein was identified as the functional orthologue of Vibrio cholerae HubP. In S. putrefaciens CN-32 it is required for polar localization and possibly the correct function of the chemotaxis components, but not for placement of the flagellum which depends on the GTPase FlhF. Localization of HubP itself may be dependent on its LysM peptidoglycan-binding domain. Since the swimming speed was decreased when hubP was deleted, a so far unidentified modulator of flagellar motility might require HubP for proper function. In addition, deletion of hubP caused an impairment in twitching motility and affected proper localization of the chromosome partitioning system. Due to its structural similarity to Pseudomonas aeruginosa FimV and partially matching phenotypes upon deletion, the group of HubP/FimV homologs, characterized by a rather conserved N-terminal periplasmic section and a highly variable acidic cytoplasmic part, may serve as polar markers in various bacterial species with respect to different cellular functions. Thus, two separate systems target the flagellum and chemotaxis system to the cell pole. 1 Zusammenfassung Zusammenfassung Bakterienzellen sind hinsichtlich ihrer Form, Struktur und Funktionalität hoch organisiert. Insbesondere Komponenten, die an der von Flagellen angetriebenen Motilität und Chemotaxis beteiligt sind, bedürfen einer präzisen räumlichen und zeitlichen Regulierung um eine Energieverschwendung zu vermeiden. Trotz der stringenten Regulierung sind die flagellare Motilität sowie die Chemotaxis temporären Anpassungen an extra- und intrazellulärer Signale unterworfen. Die Balance zwischen Regulierung und flexibler Anpassung ermöglicht es Bakterienpopulationen in wechselnden und potenziell nährstoffarmen Umgebungen effizient zu wachsen. Die hier vorgelegte Dissertation fokussiert sich auf die im γ-Proteobacterium Shewanella oneidensis MR-1 gefundene Anpassung der Flagellen-vermittelten Motilität durch den dynamischen Austausch von Motorkomponenten und ein System in Shewanella putrefaciens CN-32, das die polare Lokalisation mehrerer Proteine, unter anderem die des Chemotaxis-Systems, gewährleistet. S. oneidensis MR-1 verfügt über ein einzelnes polares Flagellensystem sowie zwei Ionenkanal-Typen, die so genannten Statoren, die die Flagellenrotation antreiben können. Das zweite Kapitel zeigt, dass beide Statoren, der native Na+-abhängige PomAB und mutmaßlich erworbene H+-abhängige MotAB Komplex, allein ausreichen um die bakterielle Beweglichkeit in planktonischer Umgebung zu gewährleisten. Abhängig von der Salzkonzentration des jeweiligen Habitats können die Statoren in variierenden Zusammensetzungen mit dem Rotor interagieren. S. oneidensis MR-1 verfügt somit möglicherweise über einen Hybridmotor. Der wichtigste Umweltfaktor, der den Statoraustausch beeinflusst, ist die externe Na+-Konzentration. Die Funktionalität von MotAB scheint darüber hinaus an das Membranpotential und die Belastung des Flagellums gebunden zu sein. Die limitierte Funktionalität