Die Transferproteine TraG und TrbB des konjugativen Plasmides RP4: Strukturelle und funkionelle Gemeinsamkeiten zu analogen Komponenten anderer Transportsysteme

Abstract

An der bakteriellen Konjugation sind zwei Multiproteinkomplexe beteiligt: (i) Das Mpf-System assembliert den Sex-Pilus und etabliert den Zell-Zell-Kontakt zum Rezipienten. (ii) Das Relaxosom katalysiert den DNA-Einzelstrangbruch an der nic-site des oriT. Die TraG-ähnlichen Proteine sind für die Konjugation essentiell, können bisher jedoch weder dem Mpf-System noch dem Relaxosom zugeordnet werden. TraG-ähnliche Proteine bilden eine neuartige Proteinklasse, deren Funktion auf die Konjugation beschränkt zu sein scheint. Die modifizierten Vertreter RP4 His6-TraG und F His6-TraD banden nicht- sequenzspezifisch an dsDNA und ssDNA, wobei ssDNA das bevorzugte Substrat war. His6-TraD bildete einen Komplex mit R1 TraM, einem möglichen Bestandteil des Relaxosoms. His6-TraG interagierte ebenso wie His6-TraD mit der Relaxase von RP4. Dies zeigt, daß die TraG-ähnlichen Proteine mit Komponenten des Relaxosoms wechselwirken. Da His6-TraG und His6-TraD keine NTPase-Aktivität besaßen, scheinen sie keinen energieverbrauchenden Prozeß zu katalysieren. Deshalb lassen sich für die TraG-ähnlichen Proteine zwei mögliche Funktionen innerhalb der Konjugation ableiten. Entweder initiieren sie das Ablösen des zu transferierenden DNA-Einzelstranges von der Plasmid-DNA oder führen ihn der Transportpore zu. Eine direkte Beteiligung am DNA-Transport ist denkbar, wenn eine Kopplung an ein NTP-spaltendes Enzym vorliegt. Im RP4-System könnte dies TrbB oder TrbE sein. Ein His6-TraG-TrbB-Komplex konnte jedoch nicht nachgewiesen werden. Vertreter der PulE-Superfamilie sind eine essentielle Komponente eines membrandurch-spannenden Multiproteinkomplexes (wie z.B. des Mpf-Komplexes), der an so unterschied-lichen Vorgängen wie der Ausscheidung von Proteinen (z.B. Toxinen), der Pilus-assemblierung, dem twitching motility und der Aufnahme von DNA mittels natürlicher Transformation beteiligt ist. Die gereinigten PulE-ähnlichen Proteine RP4 TrbB und cag HP0525 von Helicobacter pylori bildeten eine hexamere Ringstruktur aus, die zwei chemisch unterscheidbare Seiten besaß. Lokalisierungsstudien lassen vermuten, daß die eine Seite mit der inneren Membran assoziiert ist und die andere in das Cytoplasma ragt. Die strukturellen Eigenschaften von TrbB wurden auch für Chaperone der Hsp100-Familie beschrieben. Das gereinigte PulE-ähnliche Protein R388 TrwD bildete ebenfalls Ringstrukturen aus, deren nähere Architektur aber noch nicht geklärt wurde. Zusätzlich wurden bei TrwD stäbchen-förmige Strukturen beobachtet. Nukleotide stabilisierten die Ringe von TrbB und TrwD. TrbB, TrwD und HP0525 besaßen NTPase-Aktivität, die in der gleichen Größenordnung wie die der Chaperone lag. Mutationsstudien mit TrbB zeigten, daß diese Aktivität von TrbB für die Konjugation notwendig ist. Die strukturellen und enzymatischen Gemeinsamkeiten von TrbB, TrwD, HP0525 und Chaperonen, lassen vermuten, daß PulE-ähnliche Proteine durch Fixierung von Komponenten des Membrankomplexes in einer bestimmten Konformation die Assemblierung des Komplexes unterstützen. Dies könnte den Transport der Komponenten über die innere Membran und/oder das Binden an einen weiteren (Mpf)-Bestandteil ermöglichen.

Two protein complexes are involved in bacterial conjugation: (i) The Mpf system is required for the assembly of the sex-pilus and establishes the physical contact between the donor and recipient cell. (ii) The relaxosome is responsible for the specific cleavage at the origin of transfer. TraG-like proteins are essential for conjugation. However, they are belonging neither to the Mpf-system nor to the relaxosome. TraG-like proteins form a novel protein class probably specific to conjugation. The modified representatives His6-TraG and His6-TraD were shown to bind DNA non-specifically with ssDNA as the apparently preferred substrate. His6-TraD formed a complex with R1 TraM which is thought to be a component of the relaxosome. His6-TraG and His6-TraD were shown to interact with the relaxase of RP4. All these results indicate that the TraG-like proteins interact with components of the relaxosome. Neither His6-TraG nor His6-TraD possessed a NTPase activity, suggesting that they are apperantly not involved in an energy consuming process. Thus two possible functions for TraG-like proteins can be suggested. Either they might initiate the generation of the single plasmid strand destined to be transferred or they connect it to the pore through which the DNA is transferred. A direct involvement of the TraG-like proteins in the DNA transfer is possible when they are coupled to a NTPase like TrbB or TrbE of the RP4 system. However, a His6-TraG-TrbB complex was not formed. Representatives of the PulE-superfamily are an essential part of a membrane-spanning complex (like the Mpf system) involved in a wide variety of processes such as protein secretion, pilus assembly, twitching motility and DNA uptake via natural transformation. The purified PulE-like proteins RP4 TrbB and cag HP0525 of Helicobacter pylori formed hexameric ring-shaped complexes. The defined handedness of the TrbB6 and HP05256 images demonstrated that the hexameric rings have two sides with different chemical properties. Due to localisation experiments it may be assumed that these hexameric proteins face the hydrophilic cytoplasm on one and the hydrophobic membrane on the other side. Structural features of TrbB were also reported for chaperones of the Hsp 100 family. Purified R388 TrwD, which is another representative of the PulE-superfamiliy, also formed ring- shaped structures which appeared to be similar to TrbB6 and HP05256. Additionally TrwD tended to form tube-like aggregates. Nucleotides were shown to stabilise the ring-structure of TrbB and TrwD. TrbB, TrwD and HP0525 possess a NTPase-activity in an order of magnitude similar to chaperons. Analyses of TrbB mutants showed that the NTPase activity is essential for its function in vivo. According to structural and enzymatic similarities of TrbB, TrwD, HP0525, and chaperons, PulE-like proteins might aid the assembly of the membrane-spanning complex by binding to its components. Thus these components might be translocated across the inner membrane and/or able to bind to further components to form the entire membrane-spanning complex.