Bactérias podem formar comunidades bacterianas sésseis, conhecidas como biofilmes, os quais possuem um grande impacto tanto na indústria, por serem responsáveis pelo entupimento e corrosão de tubulações, quanto na saúde, por serem resistentes ao tratamento com antibióticos. Nos últimos anos, o mensageiro secundário c-di-GMP foi descoberto como um importante regulador nas vias de sinalização envolvidas na capacidade da bactéria alternar entre esses dois fenótipos: livre nadante ou em biofilme. Um dos alvos moleculares de c-di-GMP é FleQ, uma Enhancer binding protein bacteriana (bEBP), que regula a expressão dos genes flagelares de forma dependente do fator σ54, em um processo dependente de ATP. FleQ também atua no controle da transcrição dos genes envolvidos na síntese do exopolissacarídeo PEL, principal constituinte da matriz protetora que reveste o biofilme bacteriano em Pseudomonas aeruginosa, possivelmente em um processo dependente do fator σ70. A atividade de FleQ é regulada pelos níveis de c-di-GMP e por uma segunda proteína, FleN, que se liga diretamente à FleQ. Apesar do papel do complexo FleQ:FleN na regulação do operon pel ter sido estudado, seu efeito na transcrição dos genes flagelares ainda é desconhecido. Para um melhor entendimento do mecanismo regulatório de FleQ, foram resolvidas as estruturas cristalográficas do domínio REC e do domínio AAA+ em seu estado apo e em complexo com ADP, ATPγS e c-di-GMP. Também foi identificado e confirmado o sítio ativo da proteína, as diferentes formas oligoméricas de FleQ, além da proposição de como a atividade da proteína é controlada por FleN. Esses resultados sugerem um mecanismo único na transcrição mediada por uma bEBP não convencional que atua tanto com o fator σ54 e σ70, no qual a oligomerização do complexo FleQ:FleN possui um papel essencial na regulação dos genes flagelares e de formação do biofilme. Estes estudos também levam à hipótese que outras bEBPs, associadas a diferentes fenótipos, podem ser reguladas por c-di-GMP. / Bacteria can form sessile communities known as biofilm, which has a major industrial impact, causing tubing obstruction and corrosion, and in the health, due to its resistance against antibiotic treatment. In recent years, a novel secondary messenger molecule named c-di-GMP has been discovered as a key regulator in signaling pathways related to the bacteria capacity to alternate between two distinct phenotypes: free-swimming cells and biofilm community. One of the molecular targets of c-di-GMP so far identified is FleQ, a bacterial enhancer binding protein (bEBP), which regulates flagellar gene expression in a σ54 dependent mechanism. FleQ acts also controlling transcription of genes involved in PEL exopolysaccharide synthesis, main component of the protective matrix, possibly in a σ70 dependent process. FleQ activity is regulated by a second protein, FleN, which directly interacts with FleQ. Although the role of FleQ:FleN complex in regulating pel operon has been studied, its effect in flagellar gene transcription has not. For a better understanding of FleQ regulatory mechanism, we obtained the crystallographic structure of the REC domain and the AAA+ domain in its apo state and bound to ADP, ATPγS and c-di-GMP. It has also been identified and confirmed c-di-GMP binding site, the distinct oligomers of FleQ, and also proposed a mechanism by which FleN regulates FleQ. These results suggest an unique mechanism in the transcription mediated by an unusual bEBP that acts in conjunction with both σ54 and σ70 factors, in which oligomerization of FleQ:FleN complex has a crucial role in the regulation of flagellar and biofilm formation genes. These studies also lead to the hypothesis that others bEBP, related to distinct phenotypes, may be regulated by c-di-GMP.

Bactérias podem formar comunidades bacterianas sésseis, conhecidas como biofilmes, os quais possuem um grande impacto tanto na indústria, por serem responsáveis pelo entupimento e corrosão de tubulações, quanto na saúde, por serem resistentes ao tratamento com antibióticos. Nos últimos anos, o mensageiro secundário c-di-GMP foi descoberto como um importante regulador nas vias de sinalização envolvidas na capacidade da bactéria alternar entre esses dois fenótipos: livre nadante ou em biofilme. Um dos alvos moleculares de c-di-GMP é FleQ, uma Enhancer binding protein bacteriana (bEBP), que regula a expressão dos genes flagelares de forma dependente do fator σ54, em um processo dependente de ATP. FleQ também atua no controle da transcrição dos genes envolvidos na síntese do exopolissacarídeo PEL, principal constituinte da matriz protetora que reveste o biofilme bacteriano em Pseudomonas aeruginosa, possivelmente em um processo dependente do fator σ70. A atividade de FleQ é regulada pelos níveis de c-di-GMP e por uma segunda proteína, FleN, que se liga diretamente à FleQ. Apesar do papel do complexo FleQ:FleN na regulação do operon pel ter sido estudado, seu efeito na transcrição dos genes flagelares ainda é desconhecido. Para um melhor entendimento do mecanismo regulatório de FleQ, foram resolvidas as estruturas cristalográficas do domínio REC e do domínio AAA+ em seu estado apo e em complexo com ADP, ATPγS e c-di-GMP. Também foi identificado e confirmado o sítio ativo da proteína, as diferentes formas oligoméricas de FleQ, além da proposição de como a atividade da proteína é controlada por FleN. Esses resultados sugerem um mecanismo único na transcrição mediada por uma bEBP não convencional que atua tanto com o fator σ54 e σ70, no qual a oligomerização do complexo FleQ:FleN possui um papel essencial na regulação dos genes flagelares e de formação do biofilme. Estes estudos também levam à hipótese que outras bEBPs, associadas a diferentes fenótipos, podem ser reguladas por c-di-GMP. / Bacteria can form sessile communities known as biofilm, which has a major industrial impact, causing tubing obstruction and corrosion, and in the health, due to its resistance against antibiotic treatment. In recent years, a novel secondary messenger molecule named c-di-GMP has been discovered as a key regulator in signaling pathways related to the bacteria capacity to alternate between two distinct phenotypes: free-swimming cells and biofilm community. One of the molecular targets of c-di-GMP so far identified is FleQ, a bacterial enhancer binding protein (bEBP), which regulates flagellar gene expression in a σ54 dependent mechanism. FleQ acts also controlling transcription of genes involved in PEL exopolysaccharide synthesis, main component of the protective matrix, possibly in a σ70 dependent process. FleQ activity is regulated by a second protein, FleN, which directly interacts with FleQ. Although the role of FleQ:FleN complex in regulating pel operon has been studied, its effect in flagellar gene transcription has not. For a better understanding of FleQ regulatory mechanism, we obtained the crystallographic structure of the REC domain and the AAA+ domain in its apo state and bound to ADP, ATPγS and c-di-GMP. It has also been identified and confirmed c-di-GMP binding site, the distinct oligomers of FleQ, and also proposed a mechanism by which FleN regulates FleQ. These results suggest an unique mechanism in the transcription mediated by an unusual bEBP that acts in conjunction with both σ54 and σ70 factors, in which oligomerization of FleQ:FleN complex has a crucial role in the regulation of flagellar and biofilm formation genes. These studies also lead to the hypothesis that others bEBP, related to distinct phenotypes, may be regulated by c-di-GMP.

Im Fokus dieser Arbeit stand die Analyse von Faktoren, die den Zusammenbau des Flagellenapparates von Legionella pneumophila (Lp) regulieren. Mit einem kombinierten Replikations-/ Überlebensversuchs mit Lp Corby oder Lp Paris und ihren zugehörigen Regulationsmutanten wurde eine verminderte Fitness für dfliA und erstmals für drpoN, dfleQ defiziente Stämme nachgewiesen. Zur Validierung von Microarray-Daten aus Lp Paris wurden wachstumsphasenabhängige Transkriptions- und Translationsanalysen mit Lp Corby Wildtyp und drpoN, dfleQ, dfliA und dflaA defizienten Stämmen durchgeführt. Es wurde gezeigt, dass die basale Expression von fliA in den späteren Phasen unabhängig von RpoN und FleQ stattfindet. In dieser Arbeit konnte erstmals der Transkriptionsstartpunkt des Hauptregulators FliA bestimmt werden. Es zeigte sich eine putative RpoD (S70) Bindungsstelle. Ein Modell zur Regulation der fliA Expression wurde weiterentwickelt. Demnach kommt es in der exponentiellen Phase durch das Zusammenwirken von RpoD und DksA, aber unabhängig von FleQ, zur basalen fliA Promotoraktivität. Durch den Übergang in die transmissive Phase und direkte oder indirekte Interaktion mit FleQ sowie dem Alarmon ppGpp scheint es zu einem Austausch des Sigmafaktors S70 gegen SS und zu einer Aktivierung der fliA Expression zu kommen. Elektronenmikroskopische Studien zeigten, dass drpoN und dfleQ defiziente Mutanten wahrscheinlich aufgrund des fehlenden Basalkörpers nicht flagelliert sind. Mutanten für dfliA, dflaA und dfliD hatten ebenfalls keine Flagelle, zeigten aber eine ungewöhnliche, gerade Hook Struktur, die den Zusammenbau des Basalkörpers demonstriert. Weiterhin wurden durch in silico Studien 15 Legionella Spezies in Bezug auf das Flagellensystem und ein putatives Chemotaxissystem untersucht. So konnte L. oakridgensis als erste Art ohne beide Systeme sequenziert werden. Andererseits konnten mit LLAP12, L. bozemanii, L. gormanii und L. lytica Stämme beschrieben werden, die beide Systeme tragen. / This work focused on the analysis of factors contributing to the regulation of the flagellum self-assembly of Legionella pneumophila (Lp). With a combined replication/survival assay with Lp Corby or Lp Paris and their corresponding regulatory mutants a reduced fitness could be verified for dfliA and for the first time for drpoN, dfleQ deficient strains. For validation of microarray-data for Lp Paris with strain Lp Corby a growth phase dependent analysis of transcription and translation rates was done with wild-type and the drpoN, dfleQ, dfliA and dflaA deficient strains. A regulation of basal fliA expression independently from RpoN and FleQ was shown in the later growth phases. Furthermore the transcriptional start site of fliA could be shown for the first time. A RpoD (S70) binding site could be identified. According to a further developed model for the regulation of the fliA expression RpoD and DksA lead to a basal fliA promotor activity, independently from FleQ. Most likely, during transition to stationary phase, direct or indirect interaction with FleQ and the alarmone ppGpp results in the exchange of the sigma factor S70 and the binding of RpoS. This leads to the activation of fliA expression. Electron microscopic studies revealed that drpoN and dfleQ deficient mutants are not flagellated caused by the missing basal body. Mutants of dfliA, dflaA and dfliD were also aflagellated, but there was a uncommon straight hook structure visible which demonstrates a filament-independent assembly of the basal body. Furthermore, in silico analysis was done with 15 Legionella species with regard to the flagellum regulation system and a putative chemotaxis system. Analysis revealed that the strain L. oakridgensis is the first strain lacking both systems. On the other hand the strains LLAP12, L. bozemanii, L. gormanii and L. lytica could be characterized as strains carrying both systems.