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.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:usp.br/oai:teses.usp.br:tde-01082019-133129 |
| Date | 13 June 2019 |
| Creators | Cornejo, Edgar Enrique Llontop |
| Contributors | Carvalho, Cristiane Rodrigues Guzzo, Farah, Chuck Shaker |
| Publisher | Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP |
| Source Sets | Universidade de São Paulo |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | Tese de Doutorado |
| Format | application/pdf |
| Rights | Liberar o conteúdo para acesso público. |
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