Structural and Functional Analysis of Virulence-Associated Listerial Surface Proteins

Bublitz, Maike

Die Zellwand des Gram-positiven Humanpathogens Listeria monocytogenes ist mit oberflächenassoziierten Proteinen bedeckt, von denen einige als Virulenzfaktoren zentrale Wirt-Pathogen-Interaktionen vermitteln. Diese Arbeit umfasst zwei Teile, wobei der Fokus auf zwei verschiedenen, an listerieller Virulenz beteiligten Proteinklassen liegt. Der erste Teil umfasst die biochemische und strukturelle Charakterisierung des Autolysins Auto, eines kürzlich identifizierten Virulenzfaktors. Seine lytische Aktivität und Substratspezifität kennzeichnen Auto als Breitspektrum-N-Acetylglucosaminidase. Strukturell ähnelt Auto dem G-Typ Lysozym, besitzt jedoch eine N-terminale Extension, die in Form eines alpha-helikalen Stopfens die Substratbindetasche blockiert und eine neue Art der Autoinhibition darstellt. Die Aktivierung erfolgt duch Proteolyse, das pH-Optimum liegt bei pH 4.8. Diese Eigenschaften von Auto erlauben eine orts- und zeitabhängige Aktivierung während der bakteriellen Infektion und bilden so die Basis für eine dynamische Anpassung des virulenzfördernden Oberflächenproteoms, vermutlich im phagosomalen Infektionsschritt. Der zweite Teil der Arbeit beschreibt die Kristallstrukturen der funktionellen Domänen von InlJ und InlG, zweier Mitglieder der Oberflächenprotein-Familie der Internaline. Während InlG das kleinste zellwandgebundene Internalin mit 5 leucinreichen Repeats (LRRs) darstellt, weist InlJ 15 LRRs auf, ebensoviele wie der Prototyp der Familie, InlA. Die Konsensussequenz der InlJ-Repeats unterscheidet sich von der anderer Internaline durch die Länge von 21 statt 22 Resten sowie den Austausch eines hydrophoben Restes durch ein konserviertes Cystein. Die Cysteine in aufeinanderfolgenden Repeats bilden eine intramolekulare Leiter aus. Die quantitative Analyse der Krümmungs- Schraubungs- und seitlichen Biegungswinkel von InlJ und InlG sowie deren Vergleich mit anderen LRR-Proteinen bietet die Möglichkeit einer systematischen geometrischen Analyse von LRR-Proteinen.

The cell wall of the Gram-positive human pathogen Listeria monocytogenes is decorated with surface-associated proteins, a subset of which are virulence factors crucial for host-pathogen interactions. This thesis comprises two sections, each of which concentrates on a distinct class of proteins involved in listerial pathogenesis. The first section covers the biochemical and structural characterization of the autolysin Auto, a recently identified virulence factor. Its lytic activity and substrate specificity identify Auto as a broad-spectrum N-acetylglucosaminidase. It is structurally related to g-type lysozyme, but possesses a unique N-terminal extension, which forms an alpha-helical plug to obstruct the substrate-binding site, revealing a novel mode of autoinhibition. Auto is activated by proteolytic cleavage and elicits highest activity at pH 4.8. The combined features of Auto allow for its spatiotemporal activation during bacterial infection, providing the basis for the dynamic adaptation of the virulence-promoting surface proteome, presumably during the phagosomal step of infection. In the second section, the crystal structures of the functional domains of InlJ and InlG, two members of the internalin family of cell-surface proteins, are described. Whereas InlG is the smallest cell-wall bound internalin with 5 leucine-rich repeats (LRRs), InlJ bears 15 LRRs, the same number as InlA, the prototypical internalin family member. The repeat consensus sequence of InlJ differs from that of other internalins in that each repeat consists of 21 instead of 22 residues, and by replacing one hydrophobic residue by a conserved cysteine. Cysteines in consecutive repeats stack to form a regular intramolecular ladder. Quantitative analysis of the curvature, twist and lateral bending angles of InlJ and InlG, and comparison of these to other LRR proteins, provides a means for a systematic, geometric analysis of LRR-structures.

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Bublitz, Maike: Structural and Functional Analysis of Virulence-Associated Listerial Surface Proteins. 2007.

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