Strukturelle und funktionelle Analyse einer neuen Form bakterieller Typ-I-Sekretion

• Antragsteller: Dr. Roman Gerlach; Professor Dr. Michael Hensel; Professor Dr. Yves André Muller
• Fachliche Zuordnung: Parasitologie und Biologie der Erreger tropischer Infektionskrankheiten ; Strukturbiologie
• Förderung: Förderung von 2008 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 56379207

Zur Überwindung epithelialer Barrieren durch den gastrointestinalen Erreger Salmonella enterica ist die Kooperation der von Salmonella Pathogenitätsinsel (SPI) 1 und 4 kodierten Protein-Sekretionssysteme notwendig. Das große nichtfimbrielle Adhäsins SiiE ist das einzige Substrat des SPI4-kodierten Typ-I-Sekretionssystems (T1SS) und wird für die effiziente Invasion polarisierter Epithelzellen benötigt. Das hoch-repetitives Protein besteht aus 53 bacterial immunoglobulin (BIg) Domänen und seine Strukturanalyse zeigte, dass SiiE durch Bindung von zwei Ca2+-Ionen pro BIg Domäne stabilisiert wird. Die Synthese und Sekretion von SiiE erfolgt in der Wachstums-Phase, in der auch das SPI1-T3SS aktiv ist. Bei einem Teil der Population findet sich SiiE in dieser Phase auch auf der Oberfläche wieder, und wahrscheinlich sind nur diese Bakterien zur Adhäsion und Invasion polarisierter Zellen fähig. Deletionen im N-terminalen Teil von SiiE beeinflussen die Oberflächenbindung von SiiE. Zudem zeigten unsere Vorarbeiten eine Rolle der akzessorischen SPI4-T1SS Untereinheiten SiiA und SiiB bei der Kontrolle der Oberflächen-Expression von SiiE. Dieses Projekt soll die molekularen und strukturellen Mechanismen der Kontrolle der Oberflächenexpression von SiiE durch das T1SS und die SPI4-kodierten Proteine SiiAB aufklären. Basierend auf lokalen Sequenz-Ähnlichkeiten zu den Mot, Exb und Tol Systemen postulieren wir die Bildung eines Protonenkanals aus SiiA und SiiB in der inneren Membran. Die Aktivität dieses Kanals könnte Veränderungen des extrazellulären Milieus oder Faktoren wie Wirtszellkontakt an das SPI4-T3SS und SiiE übertragen. Die Struktur-Funktionsbeziehung dieser neuen regulatorischen Proteine mit den kanonischen T1SS-Untereinheiten und SiiE soll analysiert werden. Spezifische Ziele sind dabei: (i) der experimentelle Nachweis eines Protonenkanals aus SiiA und SiiB; (ii) das Verständnis der funktionellen Verbindung des SiiAB-Subkomplexes zum SPI4-T1SS und SiiE; (iii) die Charakterisierung besonderer Eigenschaften der T1SS-Untereinheiten SiiD und SiiF und deren Kontrolle der SiiE Oberflächenexpression; und (iv) das Verständnis der Kontrolle der Retention und Freisetzung von SiiE. Wir erwarten, dass dieser neue Mechanismus der Proteinsekretion von Bedeutung für eine wachsende Familie großer repetitiver Protein Gram-negativer Bakterien ist. Unsere Daten sollten zudem wesentlich zum mechanistischen Verständnis von ABC-Transportern im Allgemeinen, und T1SS im Besonderen beitragen. Deren Mechanismus ist trotz weiter Verbreitung bei Pro- und Eukaryonten vergleichsweise wenig geklärt. Im Vergleich zum Hly-System von E. coli stellt das SPI4-T1SS ein Modellsystem mit weiteren Ebenen der Komplexität und hoher Bedeutung in der Pathogenität war. Unser interdisziplinärer Ansatz zur Analyse des SPI4-T1SS kombiniert Expertise von drei Gruppen in Molekularbiologie/in-vivo-Protein-Protein-Interaktionen, zellulärer Mikrobiologie und Bildgebung mit Strukturbiologie/Biochemie.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen