Molecular analysis of protein secretion through type III secretion system from enteropathogenic E. coli

Abstract

Type III secretion system (T3SS) is a widespread virulence system, in gram negative bacteria, used to transport effector proteins directly into the eukaryotic host cell by spanning three membranes, two bacterial and one eukaryotic. The T3SS is a unique nanomachine that resembles a needle that is used to inject the secretory proteins. The basic structural characteristics of the system are three. The basal body that forms ring-like structures and connects the inner with the outer membrane of the bacterium. From the basal body a needle-filament construction is generated that will be attached to the host cell. In the cytosolic domain of the inner membrane the cytosolic ring and the ATPase complex is assembled so to regulate and coordinate the secretion process. In order the system to become functional and active more than 50 proteins need to be synchronized so the assembly of the system and the protein secretion through it undergo sophisticated regulation. Although recent structural and biochemical studies provide information about the assembly of the system; the understanding of the molecular mechanism behind the translocation process remains elusive.The main goal of this thesis was to shed more light to the molecular mechanism that proteins follow so to be secreted from T3SS. The aim was to investigate and map the pathway proteins follow from the bacterial cytosol towards the membrane at the base of the translocation pore. Determination of the protein-protein interactions that occur and elucidate the mechanism that lies behind the membrane targeting of the secretory protein- chaperone complexes was our ultimate target.Using as a model organism Enteropathogenic E. coli we combined structural, biochemical and biophysical approaches to achieve our goal.

Το σύστημα έκκρισης τύπου ΙΙΙ (Τ3SS) είναι ένα ευρεία διαδεδομένο σύστημα που χρησιμοποιείται από πολλά παθογόνα, κατά Gram αρνητικά βακτήρια. Το σύστημα τύπου ΙΙΙ, είναι μια εξειδικευμένη μικρο-μηχανή που χρησιμοποιείται για την μεταφορά των μολυσματικών παραγόντων του βακτηρίου από το κυτταρόπλασμα του κατευθείαν μέσα στο κύταρο ξεωιστή, διαπερνώντας τρεις μεμβρανικές δομές, δυο βακτηριακές και μία του ευκαρυώτη. Το σύστημα έκκρισης τύπου ΙΙΙ σχηματίζει μια δομή στο χώρο που μπορεί να παρομοιαστεί με βελόνα (injectisome). Για την δημιουργία και ενεργοποίηση του συστήματος περίπου 50 πρωτεΐνες πρέπει να συντονιστούν ώστε το σύστημα να απόκτηση τη σωστή διαμόρφωση στο χώρο και οι πρωτεΐνες που πρόκειται να εκκριθούν από αυτό να μεταφερθούν εκεί, η όλοι διαδικασία υπόκειται πολύπλοκο και σύνθετη έλεγχο από διάφορους παράγοντες σε διάφορα επίπεδα κατά το μονοπάτι εξόδου των πρωτεϊνών από το κύτταρο. Παρόλο που πάρα πολλές δομικές και βιοχημικές μελέτες έχουν συμβάλει στην κατανόηση και δομική ανάλυση του συστήματος, ελάχιστες πληροφορίες σχετικά με το μονοπάτι που ακολουθούν οι πρωτεΐνες με στόχο την έξοδό τους από το κύτταρο και την ρύθμιση αυτού είναι γνωστές. Βασικός στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η κατανόηση και αποσαφήνιση του μονοπατιού που ακολουθούν οι πρωτεΐνες οι οποίες πρόκειται να εκκριθούν, κατά την μετατόπιση αυτών από το βακτηριακό κυτταρόπλασμα μέχρι την μεμβράνη, στον πόρο εξόδου του συστήματος έκκρισης τύπου ΙΙΙ. Μέλημά μας είναι ο εντοπισμός και χαρακτηρισμός των αλληλεπιδράσεων που συμβαίνουν ανάμεσα στις πρωτεΐνες του συστήματος και η χαρτογράφηση αυτών με στόχο την διασαφήνιση του μηχανισμού που ακολουθείται κατά την στόχευση των πρωτεΐνων στην μεμβράνη.