Structural and functional characterization of Yersinia enterocolitica type III secretion effectors and chaperones

Büttner, Renate Carina

Viele Gram-negative Bakterien, u.a. das beim Menschen Darmerkrankungen auslösende Bakterium Yersinia enterocolitica, injizieren über ein Typ-III-Sekretionssystem (T3SS) Effektormoleküle direkt in die Wirtszelle. Die vorrübergehende Wechselwirkung einiger T3SS-Proteine mit spezialisierten Chaperonen im Bakterienzytosol stellt einen wichtigen Aspekt bei der Regulation des T3SS dar. Die Translokation des antiphagozytotisch wirkenden Effektors YopT hängt vom Klasse I Chaperon SycT ab. Biochemische Untersuchungen des YopT/SycT Komplexes erlaubten die genauere Bestimmung der Chaperon bindenden Domäne in YopT. Für SycT wurde eine hochaufgelöste Kristallstruktur bestimmt. SycT teilt die homodimere, kanonische Faltung sowie konservierte hydrophobe Oberflächenbereiche anderer T3SS Klasse I Chaperone. Im Gegensatz zu diesen weist SycT keine Dimerisierungshelix auf, dafür einen zusätzlichen Beta-Strang, der seine Konformation ändern kann. Das Klasse II Chaperon SycD bindet spezifisch die Poren bildenden Translokatoren YopB und YopD und reguliert zusätzlich die Virulenzfaktorbiosynthese und -sekretion. Es gelang die Aufklärung der Kristallstruktur für SycD, die damit die erste experimentelle Struktur eines Klasse II Chaperons darstellt. Wie vorhergesagt besitzt SycD eine vollständig alpha-helikale Faltung mit drei Tetratrikopeptid-Einheiten (TPR). Biochemische Analysen zeigten für SycD die Bildung von Kopf-an-Kopf Homodimeren. Strukturuntersuchungen enthüllten zwei verschiedene Dimerisierungsmöglichkeiten, welche dieselbe Interaktionsfläche besitzen, jedoch von unterschiedliche Gestalt sind. Im SycD-Dimer sind die beiden Flächen der TPR-Domäne für die Bindung an die zwei Translokatoren frei zugänglich. Eine nicht mehr dimerisierende SycD-Variante gleicht im Phänotyp der sycD-Knockout-Mutante und bestätigte damit in vivo die physiologische Bedeutung dieser neu gefundenen Interaktionsfläche. Die beiden Strukturen von SycT und SycD tragen somit zum Verständnis der T3SS-Regulation bei.

Many Gram-negative bacteria such as human enteropathogenic Yersinia enterocolitica use a type III secretion system (T3SS) to directly inject effector molecules into eukaryotic cells in order to establish a pathogenic relationship with their host. The transient interplay of several effector molecules with specialized chaperones from the bacterial cytosol is an important aspect in the regulation of the T3SS. The translocation of the antiphagocytic effector molecule YopT depends on the Class I chaperone SycT. In investigating biochemically the YopT/SycT complex, the chaperone-binding domain of YopT was specified more precisely. The crystal structure of SycT was solved to high resolution. SycT shares the homodimeric, canonical fold as well as the conserved hydrophobic surface patches with other T3SS Class I chaperones. In contrast, SycT lacks the dimerization helix and possesses an additional beta-strand that can rearrange its conformation. The Class II chaperone SycD specifically assists the pore-forming translocator proteins YopB and YopD and additionally regulates virulence factor biosynthesis and secretion. The crystal structure of SycD - the first experimental structure of a T3SS Class II chaperone - could be determined. SycD exhibits an entirely alpha-helical fold with three tetratricopeptide repeats (TPR) as previously predicted. Biochemical analysis disclosed the formation of SycD head-to-head homodimers. Structural analysis revealed two alternative dimer assemblies that share the same interface but differ in overall shape. In the SycD dimer, the two faces of the TPR domain are freely accessible for interactions with the cognate translocators. The sycD knockout-like phenotype of a dimerization-defective SycD variant corroborated the physiological role of this newly identified interface in vivo. The two structures of SycT and SycD contribute to the understanding how the T3SS is orchestrated.

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Büttner, Renate Carina: Structural and functional characterization of Yersinia enterocolitica type III secretion effectors and chaperones. 2008.

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