Bacteria use specialized systems, called secretion systems, in order to translocate substrates to the environment or to other cells, or even to uptake molecules from the exterior environment. Six different secretion systems have been described in Gram-negative bacteria. The Type IV Secretion System (T4SS) is involved in translocation of virulence factors, bacterial conjugation, uptake and release of DNA, and in the secretion of antibacterial toxins. The T4SS channel corresponds to a toroidal upramolecular complex consisting of 14 repetitions of the VirB7-VirB9-VirB10 heterotrimer. This channel, also called \"core complex\", is divided in two layers, an outer layer consisting of the VirB7 lipoprotein in complex with the C-terminal domains of VirB9 (VirB9CT) and VirB10 (VirB10CT), and an inner layer composed by the N-terminal domains of VirB9 (VirB9NT) and VirB10 (VirB10NT). Xanthomonas citri pv. citri (Xac) is a gram-negative bacterium that infects citrus plants causing a disease called \"citrus canker\". Although not directly involved in causing the disease, the chromosomally encoded T4SS is responsible for the secretion of toxins, working as a bacterial killing machine (Souza et al., 2015). The three-dimensional structure of Xac\'s VirB7 obtained by Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectroscopy (PDB 2L4W) revealed that, unlike the canonical VirB7, Xac\'s VirB7 consists of a flexible N-terminal domain followed by a C-terminal globular domain. The flexible N-terminal tail is involved in interaction with VirB9CT. In this thesis, the NMR structure of the complex formed between VirB9CT and a peptide derived from the N-terminal tail of Xac-VirB7 (VirB7NT) was solved. This complex is stabilized by hydrophobic interactions involving the side chains of particular amino acid residues such as Phe30, Trp34 and Val37 in VirB7, and Arg250, Tyr167 and Tyr169 in VirB9. Mutations of such amino acids affect not only the stability of the VirB9:VirB7 complex in vitro, but also reduce the T4SS activity and impairs its assembly in vivo. Furthermore, the ability of forming VirB7:VirB7 oligomers is essential for a functional T4SS, although it is not required for assembling the complex. The structural propensity and flexibility of a fragment derived from the proline-rich region (PRR) of the N-terminal tail of VirB10 (VirB10NT - residues 85 to 182) were studied. Measurements of the {1H}-15N heteronuclear NOE showed that VirB10NT is highly flexible on a sub-nanosecond time scale. Analysis of chemical shifts and NOEs showed that the ensemble and time average conformation of VirB10NT consists of a short alpha helix between residues 151-163, and that this helix is involved in interactions with VirB9NT. These findings provide the first compelling evidence for the interaction between the N-terminal domains of VirB9 and VirB10, and for the existence of significant flexibility within Xacs T4SS. / Bactérias usam sistemas especializados, denominados sistemas de secreção, a fim de translocar substratos para o ambiente ou para outras células, ou até mesmo para capturar moléculas do meio externo. Seis diferentes sistemas de secreção foram descritos em bactérias gram-negativas. O Sistema de Secreção do Tipo IV (T4SS) está envolvido na translocação de fatores de virulência, conjugação bacteriana, absorção e liberação de DNA, e secreção de toxinas antibacterianas. O canal do T4SS (core complex) corresponde a um complexo formado por 14 repetições do heterotrimero VirB7-VirB9-VirB10. A camada externa deste canal é constituída por VirB7 em complexo com os domínios C-terminal de VirB9 (VirB9CT) e VirB10 (VirB10CT). Os domínios N-terminal de VirB9 (VirB9NT) e VirB10 (VirB10NT) formam a camada interna do core complex. Xanthomonas citri pv. citri (Xac) é uma bactéria gram-negativa que infecta plantas cítricas causando uma doença chamada \"cancro cítrico\". Embora não esteja diretamente envolvido na infecção, o T4SS cromossomal secreta toxinas capazes de matar outras bactérias gram-negativas. VirB7 de Xac possui uma cauda N-terminal flexível e um domínio globular C-terminal ausente em outras proteínas VirB7. VirB7 interage com VirB9CT através de sua cauda N-terminal. Nesta tese, a estrutura de RMN do complexo formado por VirB9CT e um peptídeo derivado do segmento N-terminal de VirB7 foi resolvida. O complexo é estabilizado, principalmente, por interações hidrofóbicas envolvendo as cadeias laterais de determinados resíduos de aminoácidos, particularmente a Phe30, o Trp34 e a Val37 em VirB7 e a Arg250, a Tyr167 e a Tyr169 em VirB9. A substituição de alguns destes aminoácidos por alanina afeta não só a constante de dissociação do complexo in vitro, como também a atividade e a montagem do T4SS in vivo. Além disso, resíduos específicos envolvidos em oligomerização de VirB7 são essenciais para a manutenção de um T4SS funcional, embora não sejam essenciais para a montagem do sistema. Estudos estruturais, de dinâmica e de interações de um fragmento derivado da região rica em prolinas (proline-rich region - PRR) contida no N-terminal de VirB10 (VirB10NT - resíduos 85-182) também foram realizados. Medidas de {1H}-15N NOE heteronuclear mostraram que VirB10NT é altamente flexível. Análises de deslocamentos químicos e NOEs mostrou que VirB10NT forma uma hélice curta entre os resíduos 151-163. Ensaios de interação por RMN indicaram que esta hélice está envolvida em interações com VirB9NT. Estes resultados são a primeira evidência convincente para a especificidade de interação entre os domínios N-terminal de VirB9 e VirB10. Estes dados apontam também para a existência de flexibilidade dentro do T4SS de Xac.

Made available in DSpace on 2015-03-04T18:51:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Anexos-Final.pdf: 7146890 bytes, checksum: bb4f151b856a0b67e03a2261753fccfe (MD5) Previous issue date: 2008-10-31 / Coordenacao de Aperfeicoamento de Pessoal de Nivel Superior / The type IV secretion system can be classified as a large family of macromolecule transporters divided in three recognized sub-families involved in different bacterial functions. The major sub-family of T4SS is the conjugation system, which allows transfer of genetic material as a nucleoprotein via cell contact among bacteria. Analogously to bacterial conjugation, the T4SS can transfer genetic material from bacteria to eukaryotic cells; such is the case of T-DNA transfer of Agrobacterium tumefaciens to host plant cells. The system of effector proteins transport constitutes the second sub-family, being indispensable for infection processes of several mammalian and plants pathogens. The third sub-family corresponds to the DNA uptake/release system involved in genetic transformation competence, independently of cell contact, as it was described to the systems VirB/D4 from Campylobacter jejuni and ComB form Helicobacter pylori. Several essential features of T4SS are well known, but the knowledge in support of an uncomplicated classification or proper protein annotation of system subunits remains confusing, which in same cases can avoid making inferences about evolution of the system in bacterial species. The purpose of this work was to organize, classify and integrate the knowledge about T4SS through building a database devoted to this bacterial secretion system. The T4SS database was created using the SGBD MySQL and Perl programming language and with a web interface (HTML/CGI) that gives access to the database. Currently, this database hold genomic data from 43 bacteria and 10 plasmids acquired from the GenBank NCBI, these organisms comprise groups from Actionobacteria to Gram-negative Proteobacteria including symbiotic and pathogenic bacteria. By applying Bidirectional Best-Hits method was possible to get a core set of 75 clusters with 974 proteins involved in the T4SS. Also, during this procedure BlastP, Muscle e ClustalW algorithms were applied. The database was manually annotated supported by cross references built-in the T4SS annotation pages, such as the UniProtKB/Swiss-Prot, COG, InterPro and TCDB as well as by the methods for signal peptide and transmembrane regions prediction. All T4SS protein records scattered into 75 ortholog clusters were organized into five different classes of type IV secretion system proteins: (i) Type IVA Mpf/T4CP; (ii) Type IVA Dtr; (iii) F-type plasmid; (iv) IncP-1-type plasmid; (v) Type IVB Icm/Dot. All 974 proteins were annotated into 68 well-known families, which can be involved in conjugation, effector translocator, DNA uptake/release or even can be bifunctional proteins. Also, by using the Maximum Likelihood method were built 70 unrooted phylogenetic trees that represents just 70 clusters instead of 75, this is due to five clusters had only two protein sequences, five unrooted phylogenetic trees were built for each group of first hierarchical classification, one unrooted phylogenetic trees including proteins from archetype systems of all groups, one unrooted phylogenetic trees from 16S sequence of each organism and one rooted tree including a sequence from a Gram-positive bacteria as an external group. The phylogenetic analyses show that some proteins of T4SS are more divergent than others, which indicate that for a particular function few sequence mutations were needed, but other proteins required many sequence mutations to get another functions. Thus, these results proved that proteins belong to the same cluster show different functions: conjugation, DNA uptake/release or effector translocator. Consequently, it was possible verify that similar functions were grouped together within phylogenetic tree, which allowed to annotate a probable function of some uncharacterized proteins, that is possibly due to the sequence similarity may reveal a similar evolution to get the same function. Thus, the phylogenetic trees allowed confirming the protein annotation as well as inferring whether uncharacterized proteins would encompass a known function. The T4SS database will be an open access, given to the users searching and submission sequence tools, which will permit to get insights about classification and phylogeny of T4SS sequence of interest. T4SS Database is accessible at the URL http://www.t4ss.lncc.br. / O T4SS pode ser classificado como uma família de transportadores de macromoléculas envolvidos em diferentes funções bacterianas. A maior subfamília do T4SS é a do sistema de conjugação, o qual permite a transferência de material genético entre bactérias. Analogamente à conjugação, o sistema pode transferir material genético entre bactérias e eucariotos, tal como a transferência de T-DNA de Agrobacterium tumefaciens. O sistema de transporte de proteínas efetoras constitui uma segunda subfamília do T4SS, sendo indispensável nos processos de infecção de vários patógenos de mamíferos e plantas. A última subfamília corresponde ao sistema DNA-uptake/release" que funciona independente de contato com uma célula alvo, representado pelos sistemas VirB/D4 de Campylobacter jejuni e ComB de Helicobacter pylori. Muitas características básicas do T4SS são bem conhecidas, entretanto o conhecimento para a classificação simples e intuitiva ou a anotação apropriada das proteínas ainda não está claro, impedindo em alguns casos estabelecer correlações evolutivas deste sistema em bactérias. O objetivo deste trabalho foi o de organizar, classificar e integrar o conhecimento do T4SS através da construção de um banco de dados especializado para este sistema secretório bacteriano. O banco de dados T4SS foi criado utilizando o SGBD MySQL e a linguagem de programação Perl e com uma interface web (HTML/CGI) que fornece acesso ao banco. Este banco consta atualmente com 43 genomas bacterianos e 10 plasmídeos obtidos do GenBank NCBI, estes organismos vão desde Actinobactérias até Proteobactérias Gram-negativas, incluindo simbiontes e patogênicos. Foi utilizada a metodologia do Bidirectional Best-Hits", com a qual foi possível obter um conjunto mínimo de 75 clusters" com 974 proteínas envolvidas no T4SS. Também, durante este procedimento foram utilizados os algoritmos BlastP, Muscle e ClustalW. O banco foi anotado manualmente utilizando referências cruzadas incluídas nas páginas de anotação do T4SS, tais como UniProtKB/Swiss-Prot, COG, InterPro e TCDB e métodos para predição de regiões de peptídeos sinal e transmembrana. As análises do banco T4SS permitiram criar uma classificação hierárquica e funcional para as proteínas do T4SS, consistindo em cinco grupos: (i) Type IVA Mpf/T4CP; (ii) Type IVA Dtr; (iii) F-type plasmid; (iv) IncP-1-type plasmid; (v) Type IVB Icm/Dot). As 974 proteínas foram anotadas em 68 famílias conhecidas, as quais podem estar envolvidas em conjugação, transferência de T-DNA, transferência de proteínas efetoras, DNA-uptake/release" ou bem serem proteínas bifuncionais. Também, através do método de máxima verossimilhança foram geradas 70 árvores filogenéticas não enraizadas (NR) representando apenas 70 clusters, já que cinco clusters apresentaram apenas duas seqüências de proteínas, cinco árvores filogenéticas NR foram criadas para cada grupo da primeira categoria hierárquica, uma árvore NR com representantes de todos os grupos, uma árvore NR gerada a partir das seqüências 16S de cada organismo e uma árvore de um cluster incluindo uma seqüência de bactéria Gram-positiva como grupo externo. As análises filogenéticas mostram que determinadas proteínas do sistema são mais divergentes que outras, indicando que para uma determinada função poucas mutações de seqüências foram necessárias, já outras proteínas precisaram de maiores mutações para adquirir outras funções. Por isso, verifica-se que proteínas de um mesmo cluster apresentam diferentes funções: conjugação, DNA-uptake/release", traslocadores de proteínas efetoras. Conseqüentemente, foi possível verificar que funções semelhantes se agruparam juntas nas árvores filogenéticas, permitindo anotar uma função provável das proteínas ainda não caracterizadas ( unknown"), isto possivelmente devido a que em virtude de sua semelhança de seqüências, possivelmente evoluíram para realizar a mesma função. Assim, as arvores possuíram a finalidade de confirmar a anotação e contribuíram permitindo inferir se os unknown" ou probable" podem ser de uma determinada classificação funcional. O banco T4SS será de uso público, oferecendo ao usuário ferramentas de buscas e submissão de seqüências, as quais permitirão inferir respostas sobre a classificação e filogenia da seqüência T4SS de interesse. O banco de dados T4SS pode ser acessado na URL: http://www.t4ss.lncc.br.

Xanthomonas axonopodis pv. citri (Xac) é o causador do cancro de plantas cítricas. Entre os potenciais fatores de virulência codificados por Xac, está o Sistema de Secreção do Tipo IV (T4SS), um grande complexo multiprotéico que atravessa o periplasma e as membranas interna e externa de bactérias Gram-negativas. O T4SS está envolvido com secreção de proteínas e/ou DNA para o meio extracelular ou diretamente no interior da célula do hospedeiro. Este Sistema requer tipicamente 12 proteínas para realizar suas funções: VirB1-VirB11 e VirD4. O T4SS codificado pelo cromossomo de Xac está aparentemente incompleto, devido a não codificar nenhuma proteína com similaridade de seqüência a VirB7. Os objetivos deste trabalho são estudar a estrutura, função e interações das proteínas do T4SS de Xanthomonas. Foram clonados 23 genes que codificam proteínas ou domínios relacionados ao T4SS, e os polipeptídeos foram produzidos de forma recombinante em E. coli. Treze deles foram purificados e submetidos a estudos estruturais, espectroscópicos e de interações proteína-proteína. A estrutura em solução de Xac262224-139 foi resolvida, apresentando uma região N-terminal desenovelada de aproximadamente 30 resíduos e um domínio globular. Este polipeptídeo oligomeriza em troca química rápida na escala de tempo de RMN e o seu N-terminal desenovelado reconhece o domínio C-terminal de VirB9 (VirB9154-255) em troca lenta. Análise de RMN demonstrou que VirB9154-255 possui uma estrutura flexível em solução, sofrendo uma marcante mudança conformacional na presença de Xac262224-139. Ambas proteínas se tornam rígidas após a interação. Xac2622 é o equivalente a VirB7 em Xanthomonas, baseado na localização do seu gene no lócus do T4SS, localização subcelular predita do polipeptídeo codificado e sua interação com VirB9. Porém, diferente de outras proteínas da família VirB7, Xac2622 possui um domínio globular adicional, com topologia e estrutura similares a domínios presentes apenas em proteínas associadas à membrana externa de bactérias Gram-negativas. Nocaute do gene xac2622, contudo, não afetou a virulência de Xac na infecção de plantas de laranja pêra. O domínio enovelado de Xac2622 foi cristalizado, e os cristais obtidos difrataram até uma resolução de 1,0 Å, pertencendo ao grupo espacial C2221. O modelo preliminar possui Rfactor de 0,121 e Rfree de 0,147. Foram obtidos cristais de outras 3 proteínas relacionadas ao T4SS de Xac, porém somente um deles difratou em alta resolução (2,0 Å, pertencendo ao grupo espacial C2). O potencial sinal de secreção pelo T4SS de Xanthomonas é um domínio C-terminal conservado de aproximadamente 115 resíduos, encontrado nos substratos putativos do T4SS. Caracterizamos um destes domínios, presente na proteína Xac2609, e ele é intrinsicamente desestruturado. Essa observação pode ter implicações funcionais, visto que os substratos são desenovelados antes de sua passagem pelo canal de secreção do T4SS / Xanthomonas axonopodis pv. citri (Xac) is a gram-negative bacterial phytopathogen that infects citrus. One possible virulence determinant is a chromosomally encoded Type IV Secretion System (T4SS), a multiprotein complex that spans the bacterial periplasm and both inner and outer membranes. The T4SS is used by some bacteria to secrete proteins and/or DNA to the extracellular milieu or the host interior. The model T4SS from Agrobacterium tumefaciens is made up of twelve structural proteins: VirB1-VirB11 and VirD4. The Xanthomonas T4SS is apparently incomplete because of the lack of a polypeptide with sequence similarity to VirB7. The aim of this project is the study of structure-function relationships in the Xanthomonas T4SS. Twenty-three T4SS protein-coding genes, including full-length proteins or domains, were cloned and the proteins were produced in different E. coli strains. Thirteen polypeptides were purified and some of them were submitted to structural, spectroscopic and protein-protein interaction studies. We used NMR to solve the solution structure of Xac262224-139 which consists of an unfolded N-terminal segment of ~30 residues followed by a globular domain. Xac262224-139 oligomerizes in fast exchange at the NMR time scale and interacts via its unfolded N-terminus with the VirB9 C-terminus (VirB9154-255) in slow exchange. NMR analysis showed that VirB9154-255 has a flexible structure in solution. However, this polypeptide undergoes a significant conformational modification in the presence of Xac2622,24-139 and both proteins become rigid upon interaction. Xac2622 is the Xanthomonas VirB7, based on the chromosomal localization of its gene, predicted subcellular localization and protein interaction analysis. But surprisingly, unlike other VirB7 proteins, Xac2622 has an extra C-terminal folded domain whose topology and structure are strikingly similar to that of periplasmic domains found in outer membrane proteins of many bacterial Secretion Systems. Knockout of the xac2622 gene, however, does not affect the Xac virulence in orange leaf infection assays. The Xac2622 folded domain was also crystallized, and these crystals diffracted up to 1.0 Å resolution and belong to the space group C2221. The preliminary refined model has Rfactor of 0.121 and Rfree of 0.147. Crystals of three other T4SS proteins have been obtained, but only one of them diffracted to high resolution (2.0 Å; space group C2). Xac2610 is a hypothetical protein whose gene is located in the T4SS locus, and its interactions were studied with VirB9, VirB11 and Xac2609, a putative T4SS substrate. The potential T4SS secretion signal is a conserved, approximately 115 residues, C-terminal domain found in the putative substrates of the Xanthomonas T4SS. This sequence mediates interactions with VirD4. We have characterized this domain from one substrate and it is mainly unfolded. This observation may have functional implications, as the substrates are unfolded before their secretion through the T4SS channel

The type IV secretion system can be classified as a large family of macromolecule transporters divided in three recognized sub-families involved in different bacterial functions. The major sub-family of T4SS is the conjugation system, which allows transfer of genetic material as a nucleoprotein via cell contact among bacteria. Analogously to bacterial conjugation, the T4SS can transfer genetic material from bacteria to eukaryotic cells; such is the case of T-DNA transfer of Agrobacterium tumefaciens to host plant cells. The system of effector proteins transport constitutes the second sub-family, being indispensable for infection processes of several mammalian and plants pathogens. The third sub-family corresponds to the DNA uptake/release system involved in genetic transformation competence, independently of cell contact, as it was described to the systems VirB/D4 from Campylobacter jejuni and ComB form Helicobacter pylori. Several essential features of T4SS are well known, but the knowledge in support of an uncomplicated classification or proper protein annotation of system subunits remains confusing, which in same cases can avoid making inferences about evolution of the system in bacterial species. The purpose of this work was to organize, classify and integrate the knowledge about T4SS through building a database devoted to this bacterial secretion system. The T4SS database was created using the SGBD MySQL and Perl programming language and with a web interface (HTML/CGI) that gives access to the database. Currently, this database hold genomic data from 43 bacteria and 10 plasmids acquired from the GenBank NCBI, these organisms comprise groups from Actionobacteria to Gram-negative Proteobacteria including symbiotic and pathogenic bacteria. By applying Bidirectional Best-Hits method was possible to get a core set of 75 clusters with 974 proteins involved in the T4SS. Also, during this procedure BlastP, Muscle e ClustalW algorithms were applied. The database was manually annotated supported by cross references built-in the T4SS annotation pages, such as the UniProtKB/Swiss-Prot, COG, InterPro and TCDB as well as by the methods for signal peptide and transmembrane regions prediction. All T4SS protein records scattered into 75 ortholog clusters were organized into five different classes of type IV secretion system proteins: (i) Type IVA Mpf/T4CP; (ii) Type IVA Dtr; (iii) F-type plasmid; (iv) IncP-1-type plasmid; (v) Type IVB Icm/Dot. All 974 proteins were annotated into 68 well-known families, which can be involved in conjugation, effector translocator, DNA uptake/release or even can be bifunctional proteins. Also, by using the Maximum Likelihood method were built 70 unrooted phylogenetic trees that represents just 70 clusters instead of 75, this is due to five clusters had only two protein sequences, five unrooted phylogenetic trees were built for each group of first hierarchical classification, one unrooted phylogenetic trees including proteins from archetype systems of all groups, one unrooted phylogenetic trees from 16S sequence of each organism and one rooted tree including a sequence from a Gram-positive bacteria as an external group. The phylogenetic analyses show that some proteins of T4SS are more divergent than others, which indicate that for a particular function few sequence mutations were needed, but other proteins required many sequence mutations to get another functions. Thus, these results proved that proteins belong to the same cluster show different functions: conjugation, DNA uptake/release or effector translocator. Consequently, it was possible verify that similar functions were grouped together within phylogenetic tree, which allowed to annotate a probable function of some uncharacterized proteins, that is possibly due to the sequence similarity may reveal a similar evolution to get the same function. Thus, the phylogenetic trees allowed confirming the protein annotation as well as inferring whether uncharacterized proteins would encompass a known function. The T4SS database will be an open access, given to the users searching and submission sequence tools, which will permit to get insights about classification and phylogeny of T4SS sequence of interest. T4SS Database is accessible at the URL http://www.t4ss.lncc.br. / O T4SS pode ser classificado como uma família de transportadores de macromoléculas envolvidos em diferentes funções bacterianas. A maior subfamília do T4SS é a do sistema de conjugação, o qual permite a transferência de material genético entre bactérias. Analogamente à conjugação, o sistema pode transferir material genético entre bactérias e eucariotos, tal como a transferência de T-DNA de Agrobacterium tumefaciens. O sistema de transporte de proteínas efetoras constitui uma segunda subfamília do T4SS, sendo indispensável nos processos de infecção de vários patógenos de mamíferos e plantas. A última subfamília corresponde ao sistema DNA-uptake/release" que funciona independente de contato com uma célula alvo, representado pelos sistemas VirB/D4 de Campylobacter jejuni e ComB de Helicobacter pylori. Muitas características básicas do T4SS são bem conhecidas, entretanto o conhecimento para a classificação simples e intuitiva ou a anotação apropriada das proteínas ainda não está claro, impedindo em alguns casos estabelecer correlações evolutivas deste sistema em bactérias. O objetivo deste trabalho foi o de organizar, classificar e integrar o conhecimento do T4SS através da construção de um banco de dados especializado para este sistema secretório bacteriano. O banco de dados T4SS foi criado utilizando o SGBD MySQL e a linguagem de programação Perl e com uma interface web (HTML/CGI) que fornece acesso ao banco. Este banco consta atualmente com 43 genomas bacterianos e 10 plasmídeos obtidos do GenBank NCBI, estes organismos vão desde Actinobactérias até Proteobactérias Gram-negativas, incluindo simbiontes e patogênicos. Foi utilizada a metodologia do Bidirectional Best-Hits", com a qual foi possível obter um conjunto mínimo de 75 clusters" com 974 proteínas envolvidas no T4SS. Também, durante este procedimento foram utilizados os algoritmos BlastP, Muscle e ClustalW. O banco foi anotado manualmente utilizando referências cruzadas incluídas nas páginas de anotação do T4SS, tais como UniProtKB/Swiss-Prot, COG, InterPro e TCDB e métodos para predição de regiões de peptídeos sinal e transmembrana. As análises do banco T4SS permitiram criar uma classificação hierárquica e funcional para as proteínas do T4SS, consistindo em cinco grupos: (i) Type IVA Mpf/T4CP; (ii) Type IVA Dtr; (iii) F-type plasmid; (iv) IncP-1-type plasmid; (v) Type IVB Icm/Dot). As 974 proteínas foram anotadas em 68 famílias conhecidas, as quais podem estar envolvidas em conjugação, transferência de T-DNA, transferência de proteínas efetoras, DNA-uptake/release" ou bem serem proteínas bifuncionais. Também, através do método de máxima verossimilhança foram geradas 70 árvores filogenéticas não enraizadas (NR) representando apenas 70 clusters, já que cinco clusters apresentaram apenas duas seqüências de proteínas, cinco árvores filogenéticas NR foram criadas para cada grupo da primeira categoria hierárquica, uma árvore NR com representantes de todos os grupos, uma árvore NR gerada a partir das seqüências 16S de cada organismo e uma árvore de um cluster incluindo uma seqüência de bactéria Gram-positiva como grupo externo. As análises filogenéticas mostram que determinadas proteínas do sistema são mais divergentes que outras, indicando que para uma determinada função poucas mutações de seqüências foram necessárias, já outras proteínas precisaram de maiores mutações para adquirir outras funções. Por isso, verifica-se que proteínas de um mesmo cluster apresentam diferentes funções: conjugação, DNA-uptake/release", traslocadores de proteínas efetoras. Conseqüentemente, foi possível verificar que funções semelhantes se agruparam juntas nas árvores filogenéticas, permitindo anotar uma função provável das proteínas ainda não caracterizadas (unknown"), isto possivelmente devido a que em virtude de sua semelhança de seqüências, possivelmente evoluíram para realizar a mesma função. Assim, as arvores possuíram a finalidade de confirmar a anotação e contribuíram permitindo inferir se os unknown" ou probable" podem ser de uma determinada classificação funcional. O banco T4SS será de uso público, oferecendo ao usuário ferramentas de buscas e submissão de seqüências, as quais permitirão inferir respostas sobre a classificação e filogenia da seqüência T4SS de interesse. O banco de dados T4SS pode ser acessado na URL: http://www.t4ss.lncc.br.

Bacteria use specialized systems, called secretion systems, in order to translocate substrates to the environment or to other cells, or even to uptake molecules from the exterior environment. Six different secretion systems have been described in Gram-negative bacteria. The Type IV Secretion System (T4SS) is involved in translocation of virulence factors, bacterial conjugation, uptake and release of DNA, and in the secretion of antibacterial toxins. The T4SS channel corresponds to a toroidal upramolecular complex consisting of 14 repetitions of the VirB7-VirB9-VirB10 heterotrimer. This channel, also called \"core complex\", is divided in two layers, an outer layer consisting of the VirB7 lipoprotein in complex with the C-terminal domains of VirB9 (VirB9CT) and VirB10 (VirB10CT), and an inner layer composed by the N-terminal domains of VirB9 (VirB9NT) and VirB10 (VirB10NT). Xanthomonas citri pv. citri (Xac) is a gram-negative bacterium that infects citrus plants causing a disease called \"citrus canker\". Although not directly involved in causing the disease, the chromosomally encoded T4SS is responsible for the secretion of toxins, working as a bacterial killing machine (Souza et al., 2015). The three-dimensional structure of Xac\'s VirB7 obtained by Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectroscopy (PDB 2L4W) revealed that, unlike the canonical VirB7, Xac\'s VirB7 consists of a flexible N-terminal domain followed by a C-terminal globular domain. The flexible N-terminal tail is involved in interaction with VirB9CT. In this thesis, the NMR structure of the complex formed between VirB9CT and a peptide derived from the N-terminal tail of Xac-VirB7 (VirB7NT) was solved. This complex is stabilized by hydrophobic interactions involving the side chains of particular amino acid residues such as Phe30, Trp34 and Val37 in VirB7, and Arg250, Tyr167 and Tyr169 in VirB9. Mutations of such amino acids affect not only the stability of the VirB9:VirB7 complex in vitro, but also reduce the T4SS activity and impairs its assembly in vivo. Furthermore, the ability of forming VirB7:VirB7 oligomers is essential for a functional T4SS, although it is not required for assembling the complex. The structural propensity and flexibility of a fragment derived from the proline-rich region (PRR) of the N-terminal tail of VirB10 (VirB10NT - residues 85 to 182) were studied. Measurements of the {1H}-15N heteronuclear NOE showed that VirB10NT is highly flexible on a sub-nanosecond time scale. Analysis of chemical shifts and NOEs showed that the ensemble and time average conformation of VirB10NT consists of a short alpha helix between residues 151-163, and that this helix is involved in interactions with VirB9NT. These findings provide the first compelling evidence for the interaction between the N-terminal domains of VirB9 and VirB10, and for the existence of significant flexibility within Xacs T4SS. / Bactérias usam sistemas especializados, denominados sistemas de secreção, a fim de translocar substratos para o ambiente ou para outras células, ou até mesmo para capturar moléculas do meio externo. Seis diferentes sistemas de secreção foram descritos em bactérias gram-negativas. O Sistema de Secreção do Tipo IV (T4SS) está envolvido na translocação de fatores de virulência, conjugação bacteriana, absorção e liberação de DNA, e secreção de toxinas antibacterianas. O canal do T4SS (core complex) corresponde a um complexo formado por 14 repetições do heterotrimero VirB7-VirB9-VirB10. A camada externa deste canal é constituída por VirB7 em complexo com os domínios C-terminal de VirB9 (VirB9CT) e VirB10 (VirB10CT). Os domínios N-terminal de VirB9 (VirB9NT) e VirB10 (VirB10NT) formam a camada interna do core complex. Xanthomonas citri pv. citri (Xac) é uma bactéria gram-negativa que infecta plantas cítricas causando uma doença chamada \"cancro cítrico\". Embora não esteja diretamente envolvido na infecção, o T4SS cromossomal secreta toxinas capazes de matar outras bactérias gram-negativas. VirB7 de Xac possui uma cauda N-terminal flexível e um domínio globular C-terminal ausente em outras proteínas VirB7. VirB7 interage com VirB9CT através de sua cauda N-terminal. Nesta tese, a estrutura de RMN do complexo formado por VirB9CT e um peptídeo derivado do segmento N-terminal de VirB7 foi resolvida. O complexo é estabilizado, principalmente, por interações hidrofóbicas envolvendo as cadeias laterais de determinados resíduos de aminoácidos, particularmente a Phe30, o Trp34 e a Val37 em VirB7 e a Arg250, a Tyr167 e a Tyr169 em VirB9. A substituição de alguns destes aminoácidos por alanina afeta não só a constante de dissociação do complexo in vitro, como também a atividade e a montagem do T4SS in vivo. Além disso, resíduos específicos envolvidos em oligomerização de VirB7 são essenciais para a manutenção de um T4SS funcional, embora não sejam essenciais para a montagem do sistema. Estudos estruturais, de dinâmica e de interações de um fragmento derivado da região rica em prolinas (proline-rich region - PRR) contida no N-terminal de VirB10 (VirB10NT - resíduos 85-182) também foram realizados. Medidas de {1H}-15N NOE heteronuclear mostraram que VirB10NT é altamente flexível. Análises de deslocamentos químicos e NOEs mostrou que VirB10NT forma uma hélice curta entre os resíduos 151-163. Ensaios de interação por RMN indicaram que esta hélice está envolvida em interações com VirB9NT. Estes resultados são a primeira evidência convincente para a especificidade de interação entre os domínios N-terminal de VirB9 e VirB10. Estes dados apontam também para a existência de flexibilidade dentro do T4SS de Xac.

Xanthomonas axonopodis pv. citri (Xac) é o causador do cancro de plantas cítricas. Entre os potenciais fatores de virulência codificados por Xac, está o Sistema de Secreção do Tipo IV (T4SS), um grande complexo multiprotéico que atravessa o periplasma e as membranas interna e externa de bactérias Gram-negativas. O T4SS está envolvido com secreção de proteínas e/ou DNA para o meio extracelular ou diretamente no interior da célula do hospedeiro. Este Sistema requer tipicamente 12 proteínas para realizar suas funções: VirB1-VirB11 e VirD4. O T4SS codificado pelo cromossomo de Xac está aparentemente incompleto, devido a não codificar nenhuma proteína com similaridade de seqüência a VirB7. Os objetivos deste trabalho são estudar a estrutura, função e interações das proteínas do T4SS de Xanthomonas. Foram clonados 23 genes que codificam proteínas ou domínios relacionados ao T4SS, e os polipeptídeos foram produzidos de forma recombinante em E. coli. Treze deles foram purificados e submetidos a estudos estruturais, espectroscópicos e de interações proteína-proteína. A estrutura em solução de Xac262224-139 foi resolvida, apresentando uma região N-terminal desenovelada de aproximadamente 30 resíduos e um domínio globular. Este polipeptídeo oligomeriza em troca química rápida na escala de tempo de RMN e o seu N-terminal desenovelado reconhece o domínio C-terminal de VirB9 (VirB9154-255) em troca lenta. Análise de RMN demonstrou que VirB9154-255 possui uma estrutura flexível em solução, sofrendo uma marcante mudança conformacional na presença de Xac262224-139. Ambas proteínas se tornam rígidas após a interação. Xac2622 é o equivalente a VirB7 em Xanthomonas, baseado na localização do seu gene no lócus do T4SS, localização subcelular predita do polipeptídeo codificado e sua interação com VirB9. Porém, diferente de outras proteínas da família VirB7, Xac2622 possui um domínio globular adicional, com topologia e estrutura similares a domínios presentes apenas em proteínas associadas à membrana externa de bactérias Gram-negativas. Nocaute do gene xac2622, contudo, não afetou a virulência de Xac na infecção de plantas de laranja pêra. O domínio enovelado de Xac2622 foi cristalizado, e os cristais obtidos difrataram até uma resolução de 1,0 Å, pertencendo ao grupo espacial C2221. O modelo preliminar possui Rfactor de 0,121 e Rfree de 0,147. Foram obtidos cristais de outras 3 proteínas relacionadas ao T4SS de Xac, porém somente um deles difratou em alta resolução (2,0 Å, pertencendo ao grupo espacial C2). O potencial sinal de secreção pelo T4SS de Xanthomonas é um domínio C-terminal conservado de aproximadamente 115 resíduos, encontrado nos substratos putativos do T4SS. Caracterizamos um destes domínios, presente na proteína Xac2609, e ele é intrinsicamente desestruturado. Essa observação pode ter implicações funcionais, visto que os substratos são desenovelados antes de sua passagem pelo canal de secreção do T4SS / Xanthomonas axonopodis pv. citri (Xac) is a gram-negative bacterial phytopathogen that infects citrus. One possible virulence determinant is a chromosomally encoded Type IV Secretion System (T4SS), a multiprotein complex that spans the bacterial periplasm and both inner and outer membranes. The T4SS is used by some bacteria to secrete proteins and/or DNA to the extracellular milieu or the host interior. The model T4SS from Agrobacterium tumefaciens is made up of twelve structural proteins: VirB1-VirB11 and VirD4. The Xanthomonas T4SS is apparently incomplete because of the lack of a polypeptide with sequence similarity to VirB7. The aim of this project is the study of structure-function relationships in the Xanthomonas T4SS. Twenty-three T4SS protein-coding genes, including full-length proteins or domains, were cloned and the proteins were produced in different E. coli strains. Thirteen polypeptides were purified and some of them were submitted to structural, spectroscopic and protein-protein interaction studies. We used NMR to solve the solution structure of Xac262224-139 which consists of an unfolded N-terminal segment of ~30 residues followed by a globular domain. Xac262224-139 oligomerizes in fast exchange at the NMR time scale and interacts via its unfolded N-terminus with the VirB9 C-terminus (VirB9154-255) in slow exchange. NMR analysis showed that VirB9154-255 has a flexible structure in solution. However, this polypeptide undergoes a significant conformational modification in the presence of Xac2622,24-139 and both proteins become rigid upon interaction. Xac2622 is the Xanthomonas VirB7, based on the chromosomal localization of its gene, predicted subcellular localization and protein interaction analysis. But surprisingly, unlike other VirB7 proteins, Xac2622 has an extra C-terminal folded domain whose topology and structure are strikingly similar to that of periplasmic domains found in outer membrane proteins of many bacterial Secretion Systems. Knockout of the xac2622 gene, however, does not affect the Xac virulence in orange leaf infection assays. The Xac2622 folded domain was also crystallized, and these crystals diffracted up to 1.0 Å resolution and belong to the space group C2221. The preliminary refined model has Rfactor of 0.121 and Rfree of 0.147. Crystals of three other T4SS proteins have been obtained, but only one of them diffracted to high resolution (2.0 Å; space group C2). Xac2610 is a hypothetical protein whose gene is located in the T4SS locus, and its interactions were studied with VirB9, VirB11 and Xac2609, a putative T4SS substrate. The potential T4SS secretion signal is a conserved, approximately 115 residues, C-terminal domain found in the putative substrates of the Xanthomonas T4SS. This sequence mediates interactions with VirD4. We have characterized this domain from one substrate and it is mainly unfolded. This observation may have functional implications, as the substrates are unfolded before their secretion through the T4SS channel