Nicole Aline Mietrach

• The Type VII secretion system (T7SS) is linked to virulence and long-term pathogenesis in a broad range of Gram-positive bacteria, including the human commensal and pathogen Staphylococcus aureus. The Type VIIb secretion system (T7SSb) is responsible for the export of small toxic proteins, which induce antibacterial immune responses and mediate bacterial persistence in the host. In addition, it is also involved in bacterial competition. The T7SSb requires several proteins to build up the secretion machinery. This work focuses on the structuralThe Type VII secretion system (T7SS) is linked to virulence and long-term pathogenesis in a broad range of Gram-positive bacteria, including the human commensal and pathogen Staphylococcus aureus. The Type VIIb secretion system (T7SSb) is responsible for the export of small toxic proteins, which induce antibacterial immune responses and mediate bacterial persistence in the host. In addition, it is also involved in bacterial competition. The T7SSb requires several proteins to build up the secretion machinery. This work focuses on the structural and functional investigation of the motor ATPase EssC and the putative pore forming, multi-pass membrane component EsaA. Both proteins are indispensable for substrate secretion. EssC belongs to the FtsK/SpoIIIE ATPase family and is conserved among the T7SSs. It contains three C-terminal, cytosolic ATPase domains, designated as EssC- D1, -D2 and -D3, whereby EssC-D3 is the most distal one. In this thesis, I am presenting the crystal structure of the EssC-D3 at 1.7 Å resolution. As the deletion of EssC-D3 abrogates substrate export, I have demonstrated that this domain comprises a hydrophobic, surface-exposed pocket, which is required for substrate secretion. More specifically, I have identified two amino acids involved in the secretion process. In addition, my results indicate that not only EssC-D3 is important for substrate interaction but also EssC-D2 and/or EssC-D1. Unlike in the related Yuk T7SSb of Bacillus subtilis, the ATPase activity of D3 domain contributes to substrate secretion. Mutation of the modified Walker B motif in EssC-D3 diminishes substrate secretion completely. The membrane protein EsaA encompasses an extracellular segment spanning through the cell wall of S. aureus. I was able to reveal that this part folds into a stable domain, which was crystallized and diffracted up to 4 Å. The first attempts to dissolve the structure failed due to a lack of homologues structures. Therefore, crystals for single-wavelength anomalous dispersion, containing selenomethionyl-substitutes, were produced and the structure solution is still in progress. Preliminary experiments addressing the function of the extracellular domain indicate an important role in substrate secretion and bacterial competition.…
• Das Typ VII Sekretionssystem (T7SS) ist wichtig für Virulenz und Langzeit- Pathogenität von Gram-positiven Bakterien. Zu diesen gehört auch Staphylococcus aureus, bekannt als Kommensal und Pathogen im Menschen. Das Typ VIIb Sekretionssystem (T7SSb) exportiert kleine, toxische Proteine, die antibakterielle Immunantworten auslösen und für bakterielle Persistenz verantwortlich sind. Außerdem ist es an dem Konkurrenzkampf zwischen Bakterien beteiligt. Das System benötigt verschiedene Komponenten, um eine Sekretion zu ermöglichen. DieseDas Typ VII Sekretionssystem (T7SS) ist wichtig für Virulenz und Langzeit- Pathogenität von Gram-positiven Bakterien. Zu diesen gehört auch Staphylococcus aureus, bekannt als Kommensal und Pathogen im Menschen. Das Typ VIIb Sekretionssystem (T7SSb) exportiert kleine, toxische Proteine, die antibakterielle Immunantworten auslösen und für bakterielle Persistenz verantwortlich sind. Außerdem ist es an dem Konkurrenzkampf zwischen Bakterien beteiligt. Das System benötigt verschiedene Komponenten, um eine Sekretion zu ermöglichen. Diese Doktorarbeit konzentriert sich auf zwei dieser Proteine, die ATPase EssC und das Membranprotein EsaA. Beide Komponenten sind unentbehrlich für eine vollständige Funktionalität. EssC gehört zu der Familie der FtsK/SpoIIIE ATPasen und ist evolutionär in allen T7SSs erhalten. EssC besitzt drei C-terminale, zytosolische ATPase Domänen, bezeichnet als EssC-D1, -D2 und D3, wobei EssC-D3 C-terminal gelegen ist. In dieser Arbeit präsentiere ich die Kristallstruktur der ATPase Domäne EssC-D3, aufgelöst bis zu 1.7 Å. Die Domäne ist unabdingbar für die Sekretion. Durch die Strukturauflösung wurde eine hydrophobe, Oberflächen-exponierte Substrat- Bindetasche bestimmt, die eine essenzielle Rolle für den Export der toxischen Substrate einnimmt. Durch dieses Projekt konnten zwei Aminosäuren in dieser Tasche bestimmt werden, die für den Prozess der Substratsekretion wichtig sind. Weiterhin wurde bewiesen, dass nicht nur EssC-D3, sondern auch die ATPase Domäne EssC-D2 und/oder EssC-D1 mit den Substraten interagieren kann. Im Gegensatz zu dem verwandten T7SSb in Bacillus subtilis, verfügt EssC-D3 über ATPase Aktivität und ermöglicht dadurch den Substratexport. Das Membranprotein EsaA besitzt einen extrazellulären Abschnitt, der sich durch die Zellwand von S. aureus erstreckt. Dieser extrazelluläre Part besteht aus einer stabilen Domäne, welche kristallisiert werden konnte und bis zu 4 Å diffraktiert. Aufgrund von fehlenden homologen Strukturen konnte die Struktur der Domäne noch nicht bestimmt werden. Für die Phasenbestimmung, die wichtig für die Strukturauflösung ist, wurden Kristalle mit Selenomethionyl-Substituten hergestellt. Die Strukturauflösung ist noch nicht beendet. Erste Experimente bezüglich der extrazellulären Domäne zeigen, dass diese ebenfalls wichtig für die Substratsekretion und zusätzlich am Konkurrenzkampf zwischen Bakterien beteiligt ist.…