Elucidating the function of dynamin-like proteins in the bacterium myxococcus xanthus

Laverture, Rose (2023). Elucidating the function of dynamin-like proteins in the bacterium myxococcus xanthus Mémoire. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maîtrise en Microbiologie Appliquée, 148 p.

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Résumé

Cell-surface modulation is ubiquitously used by bacteria to connect kin cells, thus facilitating communication and behavioural coordination. However, the mechanisms responsible for this modulation remain poorly understood. Gram-negative Myxococcus xanthus, the model bacterial system for studying intra- and inter-species interactions, is a “social” bacterium that engages in coordinated, eukaryotic-like multicellular behaviours of individual cells within swarms. Contact-dependent interactions mediated by its outer membrane (OM) play significant roles in diverse physiological outcomes. Recognized kin cells of M. xanthus are able to interact and undergo dynamic OM exchange (OME) which can complement structural and fitness deficiencies in OM proteins and lipids. The cellsurface receptor TraA and associated TraB OM β-barrel are required for the final OME steps to produce cell–cell OM synapses; however upstream/downstream requirements to form and/or terminate OM synapses have yet to be characterized. In metazoans, dynamin(-like) proteins (DLPs) are important for membrane fission and/or fusion events, with mutations in eukaryotic DLPs linked to various diseases. Incidentally, I identified two uncharacterized bacterial DLP genes (dlp1 and dlp2) in the M. xanthus genome flanking the traAB locus, suggesting a possible functional linkage. Protein topology prediction suggests that DLP2 contains two transmembrane α-helices, indicating that it may localize to the inner membrane. No transmembrane helices were predicted for DLP1. Interestingly, neither dlp1 nor dlp2 appear to code for signal peptides or lipoproteins, the latter known for being transferrable between cells during OME. A sequence characterisation analysing secondary protein structures performed on neighbouring genes in the dlp1/traA/B/dlp2 genetic locus revealed the presence of various predicted protein transporters, potentially involved in the OME process. Chromosomal deletion mutants for dlp1/2 and traA exhibited reduced type IV pilus-dependent group motility, swarm-edge flares (dependent on single-cell gliding motility), and delayed fruiting body formation. Additionally, traA knockouts prevented OME when observed in real-time under a fluorescence microscope. This study of the dynamic OM structure formation helps elucidate the capacity of bacteria to maintain synergistic kin connections in heterogeneous environments through cell-surface remodelling. Ultimately, OM dynamism has significant implications for many fundamental yet poorly characterized bacterial behaviours, such as cellcell cooperation, aggregate cohesion, kin discrimination, and cell killing that influence prokaryotic development and survival.

La modulation de la surface cellulaire est omniprésente chez les bactéries pour relier les cellules de « soi », facilitant ainsi la communication et les comportements coordonnées. Cependant, les mécanismes responsables de cette modulation restent mal compris. Myxococcus xanthus, une bactérie à Gram négatif, demeure le système bactérien modèle pour l'étude des interactions intra- et inter-espèces. C’est une bactérie « sociale » dont les cellules individuelles participent dans des comportements multicellulaires coordonnés de type « eucaryote ».

Les interactions dépendantes du contact médiées par la membrane externe (OM) jouent un rôle important dans divers événements physiologiques. Les cellules de soi de M. xanthus sont capables d'interagir et de compléter un échange dynamique de la membrane externe (OME) qui peut compenser les déficiences structurelles en protéines et lipides de l’OM.

Le récepteur de surface cellulaire TraA et le β-barrel TraB associé à l’OM sont nécessaires pour compléter les étapes finales de l'OME pour produire des synapses OM cellule–cellule ; cependant, les exigences en amont/en aval pour former et/ou résilier les synapses de l’OM doivent encore être caractérisées. Chez les métazoaires, les protéines homologues à la dynamine (DLP) sont essentielles pour les événements de fission et/ou de fusion membranaires. Les mutations dans les DLP eucaryotes sont liées à diverses maladies.

Complémentairement, j'ai identifié deux gènes DLP bactériens non caractérisés (dlp1 et dlp2) dans le génome de M. xanthus flanquant le locus traAB, le tout suggérant un lien fonctionnel potentiel entre les protéines. La prédiction de la topologie des protéines suggère que DLP2 contient deux hélices- α transmembranaires, suggérant qu'il peut se localiser à la membrane interne. Aucune hélice transmembranaire n'a été prédite pour DLP1. Fait intéressant, ni dlp1 ni dlp2 ne semblent coder pour des peptides signal ou des lipoprotéines, ces dernières étant connues pour être transférables entre les cellules pendant l'OME.

Une caractérisation de séquence, analysant les structures protéiques secondaires réalisée sur des gènes voisins dans le locus génétique dlp1/2/traA/B, a révélé la présence potentielle de divers transporteurs de protéines, susceptibles d'être impliqués dans le processus OME.

Les mutants de délétion chromosomique pour dlp1/2 et traA ont présenté une motilité de groupe dépendant du pilus de type IV réduite, des « flares » au bord des groupes d'essaim (dépendant de la motilité de « gliding » unicellulaire) et un retard de la formation de corps fructifères. De plus, les knockouts de traA ont inhabité l'OME lorsqu'ils ont été observés en temps réel sous un microscope à fluorescence. Cette étude de la formation dynamique de la structure OM aide à élucider la capacité des bactéries à maintenir des connexions synergiques avec leurs parentés dans des environnements hétérogènes grâce à la restructuration de la surface cellulaire. En fin de compte, le dynamise de l’OM a des implications importantes pour de nombreux comportements bactériens fondamentaux mal compris, tels que la coopération cellule-cellule, la cohésion des agrégats, la discrimination et la destruction des cellules qui influencent le développement et la survie des procaryotes.

Type de document:	Thèse Mémoire
Directeur de mémoire/thèse:	Salim Timo, Islam
Mots-clés libres:	-
Centre:	Centre INRS-Institut Armand Frappier
Date de dépôt:	01 juill. 2024 14:09
Dernière modification:	01 juill. 2024 14:09
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/15767

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