O pilus tipo IV (T4P) são finos e flexíveis filamentos encontrados na superfície de uma ampla gama de bactérias Gram-negativas, Gram-positivas e archaea. O T4P desempenha um rol crucial no estilo de vida bacteriano ao estar envolvido em uma variedade de funções incluindo motilidade, aderência, formação de biofilme, patogenicidade, transformação natural e na infecção por fagos. Várias das proteínas requeridas para a biossíntese e regulação do T4P se estendem através do periplasma conectado a membrana interna e externa. O T4P são estruturas dinâmicas que sofrem ciclos de extensão e retração energizados por duas ATPases associadas com a membrana interna bacteriana. Durante a extensão, PilB, a ATPase de biossíntese do T4P, estimula a polimerização do pilus a partir de monômeros de pilinas localizados na membrana interna, através de um mecanismo ainda desconhecido. Duas proteínas, FimX e PilZ estão envolvidas na regulação da biossíntese do T4P via interações com PilB e nocautes de esses genes acabam com a biogênese e função do T4P. Neste trabalho, nós determinamos a estrutura cristalográfica do complexo binário formado pelo domínio N-terminal de PilB (PilBNt, resíduos 12-163) e a PilZ com uma resolução de 1.7 Å. As interações entre PilB e PilZ envolve uma superfície hidrofóbica formada por aminoácidos altamente conservados na família não canônica de domínios PilZ. Mutações ou deleções de alguns destes resíduos em PilZ enfraquecem a interação PilB-PilZ e afeta a função do T4P. Nós também observamos que esta interação induz mudanças conformacionais no domínio PilBNt, revelando a possibilidade de um rearranjo estrutural funcionalmente relevante da região Nterminal de PilB permitindo a sua interação com PilM, conectando a ATPase PilB como a maquinaria do T4P. Nós mostramos que PilB, PilZ e FimX podem formar um complexo ternário estável com uma massa molar aparente de ~600 kDa, sugerindo uma estequiometria de 6PilB:6PilZ:2FimX. Também observamos que FimX incrementa a atividade ATPase do complexo PilB-PilZ. O c-di-GMP e o ATPγS (um análogo não hidrolisável do ATP) induz mudanças conformacionais em FimX e no complexo PilB-PilZ, respectivamente, e estabiliza o complexo ternário PilB-PilZ-FimX. Além disso, PilB, PilZ e FimX localizam em um dos polos da célula (polo líder) em células de X. citri e a localização polar dirige a orientação da motilidade twitching. Finalmente, o T4P é necessário para a exitosa infecção de X. citri pelo fago ΦXacm4-11. Nossos resultados sugerem que asinterações entre PilB-PilZ-FimX estariam envolvidas na regulação da função de PilB, onde sinais especificas sentidas pelos domínios de FimX seriam transmitidas por PilZ até PilB. / Bacterial type IV pili (T4P) are thin and flexible filaments found on the surface of a wide range of Gram-negative bacteria and play a crucial role in their lifestyles due to their involvement in a variety of functions including motility, adherence, biofilm formation, pathogenicity, natural transformation and phage infection. Several proteins required for the biogenesis and regulation of T4P span the periplasm connecting both the inner and outer membranes. T4P are dynamic structures that undergo cycles of extension and retraction powered by two hexameric ATPases associated with the bacterial inner membrane. During extensions, the T4P assembly ATPase PilB stimulates the polymerization of pilin monomers from the inner membrane, though the precise mechanism is unknown. Two proteins, FimX and PilZ are involved in the regulation of T4P biogenesis via interactions with the PilB and knockouts of these proteins abolish T4P biogenesis. Here, we determined the crystal structure of the binary complex made up of the PilB N-terminal domain (PilBNt, residues 12- 163) bound to PilZ at 1.7Å resolution. PilZ interactions with PilB involve a hydrophobic surface made up of amino acids conserved in a non-canonical family of PilZ domains. Mutations or deletion of some these amino acids in PilZ weaken the PilZ-PilB interaction and affect T4P function. This interaction induces significant conformational changes in the PilBNt domain, suggesting that structural rearrangements of the PilB N-terminal domains could be important for its interaction with PilM, connecting the ATPase PilB with T4P machinery. We show also that full-length PilB, PilZ and FimX can form a stable ternary complex with apparent molecular weight of ~600 kDa, suggestive of a 6PilB:6PilZ:2FimX stoichiometry and that FimX increases the ATPase activity of the PilB PilZ complex. C-diGMP and ATPγS (non-hydrolysable analog of ATP) induce conformational changes in FimX and in PilB-PilZ, respectively, and stabilize the ternary PilB-PilZ-FimX complex. In addition, we show that PilB, PilZ and FimX localize at one cell pole (leading pole) that drives the movement in X. citri. Finally, the T4P is necessary for successful infection of X. citri cells by phage ΦXacm4-11. Our results suggest how FimXPilZPilB interactions could be involved in the regulation of PilB function, where specific environmental signals sensed by FimX domains could be transmitted via PilZ to PilB.

O trabalho aqui desenvolvido teve como objeto o estudo estrutural e funcional de várias proteínas do fitopatógeno Xanthomonas axonopodis pv citri (Xac), dentre as quais se destacam as proteínas hipotéticas conservadas YaeQ e SufE, as proteínas RpfC, RpfF e RpfG envolvidas em quorum sensing e proteínas PilZ, FimX e PilB envolvidas na biogênese do pilus tipo IV. Para o desenvolvimento deste trabalho foram utilizadas diferentes técnicas incluindo: clonagem, expressão, purificação, desnaturação térmica, cristalografia, difração de raios-X, RMN, ensaios de 2-híbrido, produção de nocautes, mutação sítio dirigida, Western- e Far- Western, entre outras. Dentre os resultados mais importantes obtidos temos a determinação estrutural das proteínas YaeQ e PilZ pela técnica MAD. Em ambos os casos, as estruturas representaram topologias inéditas. Com base nos dados estruturais, mostramos que YaeQ pertence à família PD-(D/E)XK presente em endonucleases dependentes de magnésio, e a partir de ensaios funcionais obtivemos evidências que sugerem que YaeQ está envolvida em alguma via de reparo de DNA em Xac. A estrutura tridimensional de PilZ revelou uma inesperada variedade estrutural dentro da família PilZ e mostrou de forma clara porque ortólogos não interagem com o segundo mensageiro bacteriano, c-diGMP. A cadeia principal de PilZ foi assinalada por RMN e a estrutura secundária de PilZ em solução é consistente com aquela determinada por cristalografia. Duas proteínas que interagem com PilZ foram identificadas: PilB e FimX. Como PilZ, ambos exercem papéis na biogênese do pilus tipo IV (T4P). Mostramos que PilZ interage especificamente com o domínio EAL de FimX e que resíduos conservados na região do C-terminal de PilZ estão envolvidos na interação com PilB, mas não com FimX. Ensaios de mutação sítio dirigida mostraram que a Y22 de PilZ pode estar envolvida na regulação da interação de PilZ com FimX e com PilB. Apesar de PilZ não interagir com c-diGMP seu parceiro, FimX, interage. PilZ consegue interagir com PilB ao mesmo tempo em que interage com FimX, formando um complexo ternário que é independente da interação de FimX com c-diGMP. Com base em todos estes resultados propusemos possíveis mecanismos de ação de PilZ e FimX no controle da biogênese do T4P. Além dos resultados acima descritos, determinamos a estrutura de SufE e mostramos que esta aumenta a atividade cisteína dessulfarase de seu parceiro, SufS, em torno de 10 vezes, como ocorre com SufE-SufS de E.coli. Clonamos, expressamos, purificamos e fizemos ensaios de cristalização de algumas proteínas envolvidas no controle de quorum sensing em Xac. Tivemos êxito na cristalização do domínio HPT (histidina fosfotransferase) da proteína chave deste sistema, RpfC / The aim of the project was to perform structural and functional studies of different Xanthomonas axonopodis pv citri (Xac) proteins including the hypothetical proteins YaeQ and SufE; RpfC, RpfF and RpfG involved in the quorum sensing and PilZ, FimX and PilB that play roles in type IV pilus (T4P) biogenesis. Several experimental techniques were employed including cloning, expression and purification of recombinant proteins, thermal denaturation, protein crystallography, X-ray diffraction, NMR, two-hybrid assays, Western- and Far-Western Blotting assays, site direct mutagenesis, and the production of Xac knockouts strains. The most important results include the determination of the three-dimensional crystal structures of PilZ and YaeQ using the MAD technique. In both cases, the structures reveled new protein topologies. The comparison of the YaeQ structure with others deposited in public databases revealed that YaeQ proteins represent a new variation within the PD-(D/E)XK magnesium dependent endonucleases superfamily. Functional assays suggest that YaeQ may be envolved in DNA repair in Xac. The PilZ three-dimensional structure revealed an unexpected structural variation within the PilZ domain superfamily and showed why PilZ orthologs are not able to bind the important bacterial second messenger, c-diGMP. We assigned the PilZ main chain by NMR and used this information to demonstrate that the PilZ secondary structure in solution is consistent with the PilZ crystal structure. We identified two proteins that interact with PilZ: PilB and FimX. As with PilZ, both PilB and FimX are involved in T4P biogenesis. PilZ binds specifically to the EAL domain of FimX and the conserved residues located in the PilZ unstructured C-terminal region contribute to binding with PilB but not with FimX. Site direct mutagenesis studies showed that PilZ residue Y22 is necessary for its capability to interact with both PilB and FimX. Although PilZ does not bind c-diGMP, her partner, FimX, does. We present evidence that PilZ can bind simultaneously to FimX and PilB, forming a ternary complex that is independent of c-diGMP. These results allow us to propose possible mechanisms by which PilZ and FimX control T4P biogenesis. Other results obtained during this period include the resolution of the crystal structure of the SufE protein from Xac using the molecular replacement technique. We show that SufE induces a 10-fold increase in the cysteine desulfurase activity of SufS, similar to that observed for the SufE-SufS complex from E. coli. Several proteins involved in quorum sensing and c-di-GMP signaling were cloned, expressed and submitted to crystallization trials. Crystals of the HPT (histidine phophotransferase) domain) of the RpfC sensor histidine kinase were obtained

O trabalho aqui desenvolvido teve como objeto o estudo estrutural e funcional de várias proteínas do fitopatógeno Xanthomonas axonopodis pv citri (Xac), dentre as quais se destacam as proteínas hipotéticas conservadas YaeQ e SufE, as proteínas RpfC, RpfF e RpfG envolvidas em quorum sensing e proteínas PilZ, FimX e PilB envolvidas na biogênese do pilus tipo IV. Para o desenvolvimento deste trabalho foram utilizadas diferentes técnicas incluindo: clonagem, expressão, purificação, desnaturação térmica, cristalografia, difração de raios-X, RMN, ensaios de 2-híbrido, produção de nocautes, mutação sítio dirigida, Western- e Far- Western, entre outras. Dentre os resultados mais importantes obtidos temos a determinação estrutural das proteínas YaeQ e PilZ pela técnica MAD. Em ambos os casos, as estruturas representaram topologias inéditas. Com base nos dados estruturais, mostramos que YaeQ pertence à família PD-(D/E)XK presente em endonucleases dependentes de magnésio, e a partir de ensaios funcionais obtivemos evidências que sugerem que YaeQ está envolvida em alguma via de reparo de DNA em Xac. A estrutura tridimensional de PilZ revelou uma inesperada variedade estrutural dentro da família PilZ e mostrou de forma clara porque ortólogos não interagem com o segundo mensageiro bacteriano, c-diGMP. A cadeia principal de PilZ foi assinalada por RMN e a estrutura secundária de PilZ em solução é consistente com aquela determinada por cristalografia. Duas proteínas que interagem com PilZ foram identificadas: PilB e FimX. Como PilZ, ambos exercem papéis na biogênese do pilus tipo IV (T4P). Mostramos que PilZ interage especificamente com o domínio EAL de FimX e que resíduos conservados na região do C-terminal de PilZ estão envolvidos na interação com PilB, mas não com FimX. Ensaios de mutação sítio dirigida mostraram que a Y22 de PilZ pode estar envolvida na regulação da interação de PilZ com FimX e com PilB. Apesar de PilZ não interagir com c-diGMP seu parceiro, FimX, interage. PilZ consegue interagir com PilB ao mesmo tempo em que interage com FimX, formando um complexo ternário que é independente da interação de FimX com c-diGMP. Com base em todos estes resultados propusemos possíveis mecanismos de ação de PilZ e FimX no controle da biogênese do T4P. Além dos resultados acima descritos, determinamos a estrutura de SufE e mostramos que esta aumenta a atividade cisteína dessulfarase de seu parceiro, SufS, em torno de 10 vezes, como ocorre com SufE-SufS de E.coli. Clonamos, expressamos, purificamos e fizemos ensaios de cristalização de algumas proteínas envolvidas no controle de quorum sensing em Xac. Tivemos êxito na cristalização do domínio HPT (histidina fosfotransferase) da proteína chave deste sistema, RpfC / The aim of the project was to perform structural and functional studies of different Xanthomonas axonopodis pv citri (Xac) proteins including the hypothetical proteins YaeQ and SufE; RpfC, RpfF and RpfG involved in the quorum sensing and PilZ, FimX and PilB that play roles in type IV pilus (T4P) biogenesis. Several experimental techniques were employed including cloning, expression and purification of recombinant proteins, thermal denaturation, protein crystallography, X-ray diffraction, NMR, two-hybrid assays, Western- and Far-Western Blotting assays, site direct mutagenesis, and the production of Xac knockouts strains. The most important results include the determination of the three-dimensional crystal structures of PilZ and YaeQ using the MAD technique. In both cases, the structures reveled new protein topologies. The comparison of the YaeQ structure with others deposited in public databases revealed that YaeQ proteins represent a new variation within the PD-(D/E)XK magnesium dependent endonucleases superfamily. Functional assays suggest that YaeQ may be envolved in DNA repair in Xac. The PilZ three-dimensional structure revealed an unexpected structural variation within the PilZ domain superfamily and showed why PilZ orthologs are not able to bind the important bacterial second messenger, c-diGMP. We assigned the PilZ main chain by NMR and used this information to demonstrate that the PilZ secondary structure in solution is consistent with the PilZ crystal structure. We identified two proteins that interact with PilZ: PilB and FimX. As with PilZ, both PilB and FimX are involved in T4P biogenesis. PilZ binds specifically to the EAL domain of FimX and the conserved residues located in the PilZ unstructured C-terminal region contribute to binding with PilB but not with FimX. Site direct mutagenesis studies showed that PilZ residue Y22 is necessary for its capability to interact with both PilB and FimX. Although PilZ does not bind c-diGMP, her partner, FimX, does. We present evidence that PilZ can bind simultaneously to FimX and PilB, forming a ternary complex that is independent of c-diGMP. These results allow us to propose possible mechanisms by which PilZ and FimX control T4P biogenesis. Other results obtained during this period include the resolution of the crystal structure of the SufE protein from Xac using the molecular replacement technique. We show that SufE induces a 10-fold increase in the cysteine desulfurase activity of SufS, similar to that observed for the SufE-SufS complex from E. coli. Several proteins involved in quorum sensing and c-di-GMP signaling were cloned, expressed and submitted to crystallization trials. Crystals of the HPT (histidine phophotransferase) domain) of the RpfC sensor histidine kinase were obtained