Bacteria thrive and survive in many different environments, and as a result, they have developed robust mechanisms to adapt rapidly to alterations in their surroundings. The protection against osmotic forces is provided by mechanosensitive channels: their primary function is to maintain the integrity of the cell upon a hypoosmotic shock. The mechanosensitive channel of small conductance (MscS) is not only the smallest common structural unit of a diverse family that allows for a tailored response in osmoregulation; it is also the most intensively studied homologue. Mechanosensitive channels directly sense elevated membrane tension levels generated by increased pressure within the cell and open transiently. Escherichia coli has six paralogues that differ in their gating properties and the number of additional transmembrane (TM) helices. These TM helices, termed sensor paddles, are essential for sensing, as they directly contact the surrounding membrane; however, the role of the additional TM helices is still unclear. Furthermore, lipids occupy hydrophobic pockets far away from the membrane plane. A recent gating model for MscS states that increased membrane tension triggers the expulsion of lipids out of those pockets, modulating different conformational states of MscS. This model focuses on bound lipids, but it is still unclear to what extent the direct interaction with the membrane influences sensing and how relevant it is for the larger paralogues.
In the herein described work, structural studies on two larger paralogues, the medium-sized channel YnaI and the large channel YbiO were realised using electron cryomicroscopy (cryo-EM). Lipids were identified in YnaI in the pockets in a similar position and orientation as in MscS, suggesting a conserved sensing mechanism. Moreover, the copolymer diisobutylene/maleic acid (DIBMA) allowed the extraction of artificially activated YnaI from plasma membranes, leading to an open-like form of this channel. This novel conformation indicated that the pore helices bend at a GGxGG motif during gating, which is unique among the Escherichia coli paralogues, concomitant with a structural reorganisation of the sensor paddles. Thus, despite a high similarity of their closed states, the gating mechanisms of MscS and YnaI are surprisingly different. Furthermore, the comparison of MscS, YnaI, and YbiO accentuates variations and similarities between the differently sized family members, implying fine-tuning of channel properties in the pore regions and the cytosolic lateral entry sides into the channel. Structural analyses of MscS reconstituted into different systems showed the advantages and disadvantages of certain polymers and detergents. The novel DIBMA copolymer and the more conventional amphiphilic polymers, so-called Amphipols, perturb contacting transmembrane helices or lead to their denaturation. Due to this observation, the obtained structures of YnaI must also be cautiously considered. The structures obtained in detergents resulted in unaffected channels; however, the applicability of detergents for MscS-like channels is limited by the increased required sample concentration.
The role of lipids for gating MscS in the absence of a membrane was examined by deliberately removing coordinated lipid molecules from MscS using different amounts and kinds of detergent. The effects on the channel were inspected by cryo-EM. These experiments showed that closed MscS adopts the open conformation when it is enough delipidated by incubation with the detergent n-dodecyl-β-D-maltoside, and adding lipids to the open channel reverses this process. The results agree with the state-of-the-art model that the amount of lipid molecules in the pockets and grooves is responsible for the conformational state of MscS. Furthermore, incubation with the detergent lauryl maltose neopentyl glycol, which has stabilising and delipidating characteristics, resulted in a high-resolution structure of open MscS exhibiting an intricate network of ligands. Based on this structure, an updated gating model is proposed, which states that upon opening, lipids from the pockets migrate into the cytosolic membrane leaflet, while lipids from the periplasmic leaflet enter the grooves that arise between the sensor paddles. / Bakterien gedeihen und überleben in vielen unterschiedlichen Umgebungen. Daher haben sie robuste Mechanismen entwickelt, um sich rasch an Veränderungen in ihrer Umgebung anzupassen. Den Schutz vor osmotischen Kräften gewährleisten mechanosensitive Kanäle: Ihre Hauptfunktion besteht darin, die Unversehrtheit der Zelle bei einem hypoosmotischen Schock zu erhalten. Der mechanosensitive Kanal geringer Leitfähigkeit (mechanosensitive channel of small conductance, MscS) stellt nicht nur die kleinste gemeinsame Struktureinheit einer Familie von Kanälen dar, die eine maßgeschneiderte Antwort auf hypoosmotischen Stress ermöglicht; er ist auch das intensivste untersuchte Familienmitglied. Mechanosensitive Kanäle registrieren erhöhte Membranspannungen, die durch steigenden Druck innerhalb der Zelle entstehen, und öffnen vorübergehend. In Escherichia coli gibt es sechs paraloge Kanäle, die sich in ihren Öffnungs-Eigenschaften und der Anzahl zusätzlicher transmembranen Helices unterscheiden. Diese Helices, die als sensor paddles bezeichnet werden, sind für das Erfassen ansteigender Membranspannung unerlässlich, da sie direkt mit der umgebenden Membran in Kontakt stehen; die Rolle der zusätzlichen transmembranen Helices ist jedoch noch nicht geklärt. Außerdem sitzen Lipide in hydrophoben Taschen weit entfernt von der Membran. Ei kürzlich vorgeschlagenes Öffnungs-Modell für MscS besagt, dass eine erhöhte Membranspannung zum Ausstoß der Lipide aus diesen Taschen führt, wodurch verschiedene Konformationszustände von MscS moduliert werden. Dieses Modell konzentriert sich auf die Rolle der Lipide, aber es ist noch immer unklar, inwieweit die direkte Wechselwirkung mit der Membran das Wahrnehmen der Membranspannung beeinflusst und welche Bedeutung sie für die größeren paralogen Kanäle hat.
In der vorliegenden Arbeit wurden Strukturstudien an zwei größeren paralogen Kanälen, dem mittelgroßen Kanal YnaI und dem großen Kanal YbiO, mittels Kryoelektronenmikroskopie (Kryo-EM) durchgeführt. In YnaI wurden Lipide in den Taschen in ähnlicher Position und Ausrichtung wie in MscS gefunden, was auf einen konservierten Mechanismus zur Wahrnehmung der Membranspannung schließen lässt. Darüber hinaus ermöglichte das Copolymer Diisobutylen/Maleinsäure (DIBMA) die Isolation von artifiziell aktiviertem YnaI aus Plasmamembranen, was zur Struktur einer anscheinend offenen Form dieses Kanals führte. Diese neuartige Konformation deutet darauf hin, dass sich die Porenhelices während des Öffnens im Bereich eines GGxGG-Motiv biegen, das unter den paralogen Kanälen von Escherichia coli einzigartig ist und mit einer strukturellen Reorganisation der sensor paddles einhergeht. Trotz der großen Ähnlichkeit ihrer geschlossenen Zustände sind die Öffnungs-Mechanismen von MscS und YnaI also überraschend unterschiedlich. Darüber hinaus zeigte der Vergleich von MscS, YnaI und YbiO Unterschiede und Gemeinsamkeiten zwischen den unterschiedlich großen Familienmitgliedern. Diese Erkenntnissse deuten auf eine Feinabstimmung der Kanaleigenschaften im Bereich der Pore und an den zytosolischen seitlichen Eingängen der Kanäle hin.
Strukturanalysen von MscS, in verschiedene Systeme rekonstituiert, zeigten die Vor- und Nachteile von ausgewählten Polymeren und Detergenzien. Das neuartige DIBMA-Copolymer und herkömmlichere amphiphile Polymere, die sogenannten Amphipole, stören die kontaktierenden transmembranen Helices oder führen zu deren Denaturierung. Im Zuge dieser Beobachtung müssen auch die erhaltenen Strukturen von YnaI vorsichtig betrachtet werden. Die in Detergenzien erhaltenen Strukturen zeigen unbeeinträchtigte Kanäle; die Anwendbarkeit von Detergenzien für MscS-ähnliche Kanäle wird jedoch durch die erhöhte erforderliche Proteinkonzentration eingeschränkt.
Die Rolle der Lipide für das Öffnen von MscS wurde in Abwesenheit einer Membran untersucht, indem koordinierte Lipidmoleküle mit verschiedenen Mengen und Arten von Detergenzien bewusst von MscS entfernt wurden. Die Auswirkungen auf den Kanal wurden mittels Kryo-EM untersucht. Dabei zeigte sich, dass die geschlossene Form von MscS in die offene Konformation übergeht, wenn es durch Inkubation mit dem Detergenz n-Dodecyl-β-D-Maltosid ausreichend delipidiert wird, und dass die Zugabe von Lipiden zum offenen Kanal diesen Prozess wieder umkehrt. Die Ergebnisse stimmen mit dem Öffnungs-Modell überein, das besagt, dass die Menge der Lipidmoleküle in den Taschen und Furchen für den Konformationszustand von MscS verantwortlich ist. Darüber hinaus führte die Inkubation mit dem Detergenz Laurylmaltose-neopentylglykol, das sowohl stabilisierende als auch delipidierende Eigenschaften hat, zu einer hochaufgelösten Struktur des offenen MscS, die ein ausgeprägtes Netzwerk von Liganden zeigt. Auf der Grundlage dieser Struktur wird ein aktualisiertes Öffnungs-Modell vorgeschlagen, das besagt, dass bei der Öffnung Lipide aus den Taschen in die zytosolische Lipidschicht der Membran wandern, während Lipide aus der periplasmatischen Lipidschicht in die Furchen gelangen, die zwischen den sensor paddles entstehen.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:26897 |
| Date | January 2022 |
| Creators | Flegler, Vanessa Judith |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/doku/lic_mit_pod.php, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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