Regulatory mechanisms in the coordination of motility and curli fimbriae- mediated adhesion in Escherichia coli

Abstract

Depending on the environmental conditions, bacteria can either exist as single motile cells, also called planktonic cells, or they adhere to each other and to surfaces with the help of adhesive structures, thus becoming sedentary cells that can also form biofilms. In this work the transition between these two lifestyles was investigated in the model organism and gram-negative bacterium Escherichia coli that, when cultivated in nutrient-rich medium, switches from the planktonic to the adhesive lifestyle upon entry into the stationary phase of growth. The central aim was the identification and detailed characterization of regulatory processes involved in the coordination of the two major features of the planktonic and the adhesive lifestyle in this organism, i.e. flagella-driven motility and curli fimbriae-mediated adhesion. The results of these studies demonstrate that the two regulatory cascades directing flagellar motility and curli fimbriae expression communicate with each other through multiple layers of negative “cross-talk”, which results in an inverse coordination of the two systems. One of these regulatory links is established by FliZ, a protein under flagellar control that acts as a general inhibitor of the master regulator of the general stress response, σS, and therefore also interferes with σS-dependent curli fimbriae formation. During the post-exponential growth phase, when flagellar gene expression peaks but σS already starts to accumulate in the cell, FliZ temporarily gives priority to motility over the general stress response. Further analysis of the mechanism that allows FliZ to exert its comprehensive effect on σS-dependent gene expression led to the identification of a novel and unprecedented mechanism of interference with sigma factor activity. Detailed in vivo and in vitro analyses revealed that FliZ does not act as a conventional anti-σ factor, but directly binds to the -10 region of distinct σS-dependent promoters with a structural element in FliZ that strongly resembles a promoter recognition element in σS and thus interferes with the activity of this sigma factor through mimicry of the promoter recognition mechanism. Furthermore, this work also clarified the role FliZ plays in the regulation of motility in E. coli. By providing the first direct molecular mechanism of FliZ action, this study will also help to elucidate the yet unidentified mechanistic details of FliZ- mediated regulation of motility and virulence in other bacterial species. The FliZ-mediated communication between the motility and curli fimbriae systems is integrated with regulatory links on other levels of the two control cascades that have been identified in the course of this work and in parallel studies performed by the Hengge group. Together these data were combined into a comprehensive model describing the sequence of events that direct the switch from motility to curli fimbriae-mediated adhesion. Finally, these analyses were complemented by studies revealing several yet unknown details of c-di- GMP-mediated control of curli fimbriae expression that add more detail to this model, but also contribute to our understanding of the general principles of c -di-GMP signalling in bacteria, which is still incomplete.

Je nach Umweltbedingungen existieren Bakterien entweder als einzellige motile Zellen, als so genannte planktonische Zelle, oder aber als sesshafte Zellen, die sich mit Hilfe von adhäsiven Strukturen aneinander und an Oberflächen anheften und dann auch in der Lage sind, Biofilme zu bilden. In der vorliegenden Arbeit wurde der Übergang zwischen diesen beiden Lebensweisen in dem Modellorganismus und gram-negativen Bakterium Escherichia coli untersucht, das bei Kultivierung in nährstoffreichem Medium beim Eintritt in die stationäre Wachstumsphase von der planktonischen zur adhäsiven Lebensweise umschaltet. Hauptziel war dabei die Identifizierung und detaillierte Charakterisierung von regulatorischen Prozessen, die an der Koordination der beiden Hauptmerkmale der planktonischen und adhäsiven Lebensweise in diesem Organismus beteiligt sind: der Flagellen-gesteuerten Motilität und der Curli- Fimbrien-vermittelten Adhäsion. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen zeigen, dass die beiden Regulationskaskaden, welche die flagellare Motilität und die Bildung der Curli-Fimbrien kontrollieren, durch negative wechselseitige Einflussnahme auf mehreren Ebenen miteinander kommunizieren, wodurch eine inverse Koordination der beiden Systeme erreicht wird. Eine dieser regulatorischen Verbindungen wird durch das flagellar kontrollierte Protein FliZ vermittelt, das einen allgemeinen inhibitorischen Einfluss auf die Aktivität des Masterregulators der generellen Stressantwort σS ausübt und damit auch die σS-abhängige Curli-Fimbrien-Bildung reprimiert. In der post- exponentiellen Wachstumsphase, in der die flagellare Genexpression ihren Höhepunkt erreicht, aber auch σS schon in der Zelle akkumuliert, gibt FliZ der Motilität vorübergehend den Vorzug gegenüber der generellen Stressantwort. Eine genauere Analyse der Wirkungsweise, die es FliZ ermöglicht, einen so umfassenden Einfluss auf die σS-abhängige Genexpression zu nehmen, führte zur Identifikation eines bislang unbeschriebenen Mechanismus zur Aktivitätsinhibition von Sigmafaktoren. Detaillierte in-vivo- und in-vitro- Analysen zeigten, dass FliZ nicht als konventioneller Anti-Sigmafaktor wirkt, sondern mit Hilfe eines Strukturelementes, das große Ähnlichkeit zu einem Promotor-Erkennungselement in σS aufweist, direkt an die -10-Region bestimmter σS-abhängiger Promotoren bindet und so die Aktivität dieses Sigmafaktors durch Mimikry des Promotorerkennungsmechanismus inhibiert. Außerdem konnte im Rahmen dieser Arbeit die Rolle von FliZ in der Motilitätsregulation in E. coli aufgeklärt werden. Durch die erstmalige Beschreibung einer direkten molekularen Wirkungsweise von FliZ, kann diese Arbeit auch bei der Aufklärung der bislang unbekannten mechanistischen Details der FliZ-vermittelten Regulation von Motilität und Virulenz in anderen Bakterienarten helfen. Die durch FliZ vermittelte Kommunikation zwischen den Motilitäts- und Curli- Fimbrien-Systemen ist mit weiteren regulatorischen Verbindungen auf anderen Ebenen der beiden Regulationskaskaden verschaltet, die in dieser Arbeit und in parallel in der Arbeitsgruppe Hengge durchgeführten Studien identifiziert werden konnten. Diese Daten wurden in einem umfassenden Model zusammengefasst, das die Abfolge der Ereignisse beschreibt, die das Umschalten von Motilität zur Curli-Fimbrien-vermittelten Adhäsion steuern. Schließlich wurden diese Analysen durch die Aufklärung einiger bislang unbekannter Details der c-di- GMP-vermittelten Curli-Fimbrien-Regulation ergänzt, die dieses Model erweitern und außerdem zu unserem noch immer unvollständigen Verständnis genereller Prinzipien c-di-GMP-vermittelter Signaltransduktion beitragen.