SgnC, a PATAN-domain containing response regulator functions as a noise-reducing filterin Myxococcus xanthus motility
Loading...
Files
Date
relationships.isAuthorOf
Publisher
Philipps-Universität Marburg
Abstract
Rod-shaped Myxococcus xanthus cells move across surfaces with defined front-rear polarity using type IVa pili (T4aP)-dependent motility and gliding. This front-rear polarity in M. xanthus is maintained by polarity module proteins. Ras-like GTPase MglA is the output of this module, and in its GTP-bound form stimulates the formation of motility machineries at the leading cell pole by interacting with its effector proteins. The front-rear polarity established by the polarity module is switched occasionally during cellular reversals, causing cells to move in the opposite direction. These cellular reversals are induced by a signal from the Frz chemosensory system, and invert the localization pattern of the polarity module proteins. The molecular mechanism of this switch and overall the regulation of motility is not fully understood.
In this study, we aimed to identify additional proteins involved in the regulation of motility in M. xanthus. Particularly, we focused on PATAN domain-containing proteins, since PATAN domain is recently identified as the principal output domain binding directly to the T4aP extension motor to regulate motility in Synechocystis species. The M. xanthus genome encodes 15 PATAN domain proteins, including SgnC, SgmC, and PglH, all of which have been implicated in motility. In contrast to the Synechocystis proteins, six of the 15 PATAN domain proteins in M. xanthus contain an α-clip insertion within the PATAN domain that forms a MshEN_N c-di-GMP binding motif. As c-di-GMP is connected to the regulation of T4aP-dependent motility in M. xanthus, we investigated the role of these six PATAN domain proteins with MshEN_N insertion in regulation of motility in M.xanthus using a candidate approach. Notably, we characterized that SgnC is important for both motility systems of M. xanthus.
Next, we further investigated the molecular role of SgnC in motility of M. xanthus and found that SgnC inhibits cellular reversals in a Frz chemosensory system-dependent manner. This inhibition is independent of c-di-GMP binding by SgnC and does not involve changes in the accumulation of motility-associated proteins. Surprisingly, SgnC was found to be close to the proteins that regulate T4aP formation, such as SgmX, FrzS, and SopA as revealed by proximity labeling experiments. Consistently, our data support a direct interaction between SgnC and SgmX in vivo. Localization studies demonstrated that SgnC dynamically localizes to the leading cell pole, and is recruited to this pole by SgmX through direct interaction. In turn, SgnC stimulates SgmX polar localization directly, resulting in increased MglA and PilB localization at the leading cell pole. Therefore, MglA/SgmX/SgnC
4
establishes positive feedback that reinforces their polar localization, as well as PilB polar localization and T4aP extension. Our localization studies also demonstrate that SgnC inhibits the polar localization of Frz chemosensory signaling effector FrzZ-P to the leading cell pole, which was shown to be recruited to the leading cell pole in a MglA-dependent manner.
Importantly, our data suggest that SgnC reduces sensitivity to Frz chemosensory signaling by two distinct mechanisms. First, SgnC inhibits the polar binding of the FrzZ-P at the leading cell pole via an unknown mechanism and this inhibition overcomes the stimulation of FrzZ-P polar localization by MglA. Second, by establishing the MglA/SgmX/SgnC positive feedback that reinforces the polar localization of MglA, SgnC would make the polarity module more resistant to Frz signaling.
Stäbchenförmigen Myxococcus xanthus Zellen bewegen sich mit Hilfe von Typ-IVa-Pili (T4aP)-abhängiger Motilität und Gleiten über Oberflächen mit Vorder-Rück definierter Polarität. Diese Vorder-Rück-Polarität wird bei M. xanthus durch Polaritätsmodulproteine aufrechterhalten. Die Ras-ähnliche GTPase MglA ist der Ausgang dieses Moduls und stimuliert in ihrer GTP-gebundenen Form die Bildung von Motilitätsmaschinen am vorderen Zellpol durch Interaktion mit ihren Effektorproteinen. Die durch das Polaritätsmodul festgelegte Vorder-Rück-Polarität wird gelegentlich während zellulärer Umkehrungen umgeschaltet, wodurch sich die Zellen in die entgegengesetzte Richtung bewegen. Diese zellulären Umkehrungen werden durch ein Signal des chemosensorischen Systems Frz ausgelöst und kehren das Lokalisierungsmuster der Polaritätsmodulproteine um. Der molekulare Mechanismus dieser Umschaltung und die allgemeine Regulierung der Motilität sind noch nicht vollständig geklärt.
In dieser Studie wollten wir zusätzliche Proteine identifizieren, die an der Regulierung der Motilität in M. xanthus beteiligt sind. Insbesondere konzentrierten wir uns auf PATAN-Domänen-enthaltende Proteine, da die PATAN-Domäne kürzlich als die wichtigste Ausgangsdomäne identifiziert wurde, die direkt an den T4aP-Verlängerungsmotor bindet, um die Motilität in Synechocystis-Arten zu regulieren. Das Genom von M. xanthus kodiert für 15 PATAN-Domänen-Proteine, darunter SgnC, SgmC und PglH, die alle mit der Motilität in Verbindung gebracht wurden. Im Gegensatz zu den Synechocystis-Proteinen enthalten sechs der 15 PATAN-Domänen-Proteine in M. xanthus eine α-Clip-Insertion innerhalb der PATAN-Domäne, die ein MshEN_N c-di-GMP-Bindungsmotiv bildet. Da c-di-GMP mit der Regulierung der T4aP-abhängigen Motilität in M. xanthus zusammenhängt, untersuchten wir die Rolle dieser sechs PATAN-Domänenproteine mit MshEN_N-Insertion bei der Regulierung der Motilität in M. xanthus anhand eines Kandidatenansatzes. Insbesondere konnten wir feststellen, dass SgnC für beide Motilitätssysteme von M. xanthus wichtig ist.
Als Nächstes untersuchten wir die molekulare Rolle von SgnC bei der Motilität von M. xanthus und stellten fest, dass SgnC zelluläre Umkehrungen auf eine vom chemosensorischen System von Frz abhängige Weise hemmt. Diese Hemmung ist unabhängig von der c-di-GMP-Bindung durch SgnC und geht nicht mit Veränderungen bei der Akkumulation von motilitätsassoziierten Proteinen einher. Überraschenderweise wurde festgestellt, dass sich SgnC in der Nähe der Proteine befindet, die die T4aP-Bildung
6
regulieren, wie z. B. SgmX, FrzS und SopA, wie Proximity-Labeling-Experimente zeigten. Unsere Daten belegen folglich eine direkte Interaktion zwischen SgnC und SgmX in vivo. Lokalisierungsstudien zeigten, dass sich SgnC dynamisch am vorderen Zellpol lokalisiert und von SgmX durch direkte Interaktion an diesen Pol gelockt wird. Im Gegenzug stimuliert SgnC die polare Lokalisierung von SgmX direkt, was zu einer verstärkten Lokalisierung von MglA und PilB am vorderen Zellpol führt. MglA/SgmX/SgnC stellen also eine positive Rückkopplung her, die ihre polare Lokalisierung sowie die polare Lokalisierung von PilB und die T4aP-Verlängerung verstärkt. Unsere Lokalisierungsstudien zeigen auch, dass SgnC die polare Lokalisierung des chemosensorischen Frz-Signaleffektors FrzZ-P am vorderen Zellpol hemmt, von dem gezeigt wurde, dass er in einer MglA-abhängigen Weise am vorderen Zellpol rekrutiert wird.
Unsere Daten deuten darauf hin, dass SgnC die Empfindlichkeit gegenüber chemosensorischen Frz-Signalen durch zwei verschiedene Mechanismen reduziert. Erstens hemmt SgnC die polare Bindung von FrzZ-P am vorderen Zellpol über einen unbekannten Mechanismus, und diese Hemmung hebt die Stimulation der polaren Lokalisierung von FrzZ-P durch MglA auf. Zweitens würde SgnC durch die Schaffung einer positiven Rückkopplung zwischen MglA/SgmX/SgnC, die die polare Lokalisierung von MglA verstärkt, das Polaritätsmodul resistenter gegen Frz-Signale machen.