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Magnetoskeleton : Elucidating cytoskeletal elements involved in magnetosome chain assembly and segregation of Magnetospirillum gryphiswaldense

Title data

Toro-Nahuelpan, Mauricio:
Magnetoskeleton : Elucidating cytoskeletal elements involved in magnetosome chain assembly and segregation of Magnetospirillum gryphiswaldense.
Bayreuth , 2018 . - 280 p.
( Doctoral thesis, 2018 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00003763

Official URL: Volltext

Project information

Project financing: Deutsche Forschungsgemeinschaft

Abstract in another language

Magnetotactic bacteria synthesize dedicated magnetic organelles termed magnetosomes, which are membrane-enveloped magnetic nanocrystals. To serve as an efficient magnetoreceptor, magnetosomes are organized into a single, midcell positioned and tightly spaced chain that aligns the cell to the Earth’s magnetic field, facilitating taxis towards a suitable environment. In the model organism Magnetospirillum gryphiswaldense, the magnetosome chain is assembled by concerted action of the actin-like MamK filament and the adaptor protein MamJ, which links the magnetosomes to the MamK cytoskeleton. To pass on the selective advantage of magnetotaxis to ensure cell fitness, during cytokinesis, the magnetosome chain is regularly found traversing the cell division site, where it becomes equipartitioned. Subsequently, the newly divided chains must undergo a hypothesized dynamic relocalization to midcell, which has been attributed to MamK. Yet, the underling molecular mechanisms of magnetosomes segregation, putative dynamics and coordination with the cell cycle have remained elusive.
In this thesis, in vivo time-lapse imaging and photokinetic approaches revealed that a directed MamK filament treadmilling is responsible for a rapid and dynamic pole-to-midcell repositioning of magnetosome chains in recently divided cells. In addition, it was found that magnetosomes equal partitioning is highly precise and directly dependent on an intact MamK filament dynamics. Thus, MamK dynamics and its interplay with MamJ provide an active driving force for magnetosomes movement.
Peculiarly, loss of MamK did not abolish magnetosome chain configuration, but merely caused fragmented chains, revealing an additional yet unrecognized determinant for magnetosomes organization. In this work, a subcellular analysis by cryo-electron tomography (cryo-ET) showed that the magnetosome chain is confined to the positive curvature of the cytoplasmic membrane of the helical cell (i.e., the geodetic axis). Interestingly, the chain geodetic position became lost in absence of the transmembrane protein MamY. Moreover, double deletion of mamY and mamK entirely abolished chain configuration, suggesting MamY as a novel and essential scaffolding element for magnetosomes organization and positioning. This notion was substantiated by construction of an artificial magnetosome chain on MamY, circumventing both MamK and MamJ functions. PALM and 3D-SIM analyses demonstrated that MamY is highly enriched along the geodetic axis, likely in a polymerized state. These results evidence that MamY acts as a landmark of positive cell curvature and positions a linear magnetoreceptor inside a helical cell, aligning the motility axis and magnetosome chain magnetic-dipole moment. Therefore, MamY is proposed as a new member of the hereby-termed magnetoskeleton, which comprises essential proteins for magnetosomes spatial organization. Since coordination of magnetosome dynamics with cell cycle is yet poorly understood, the role of two major cell cycle regulators, PopZ and MipZ, was analyzed in this context. In Alphaproteobacteria, PopZ serves as a polar landmark that anchors the chromosomes to the cell poles allowing faithful segregation and cell division, whereas MipZ is an essential protein that acts downstream of PopZ and forms an intracellular gradient for proper septum localization. M. gryphiswaldense possesses two MipZ homologs from which only MipZ-like 1 displayed a gradient-like localization. Unexpectedly, single and double deletion of the mipZ-like homologs was feasible, a major difference with the previously reported essential MipZ function. However, only the absence of MipZ-like 1 impaired cell division. Similarly, deletion of a popZ homolog elicited cell filamentation and polar mini-cells. Although, the three homologs were not found to influence magnetosomes or MamK dynamics, PopZ and MipZ-like 1 proved to be key players involved in cell cycle control of M. gryphiswaldense, which, interestingly, appears to have a slightly distinct cell division regulation.
In addition, PopZ has been previously suggested to assemble a polar filamentous scaffold, yet direct evidence was missing. In this thesis, Volta phase plate (VPP) cryo-ET showed that PopZ generates a 3D network of disordered, flexible, tightly packed and cross-linked filaments at the cell poles of M. gryphiswaldense. This direct imaging of PopZ filaments confirmed the existence of a genuine bacterial cytoskeletal network in situ.
During the course of this work, extensive cryo-ET analyses were performed and led to the unforeseen discovery of novel magnetosomal and subcellular structures. VPP cryo-ET enabled visualization of a periplasmic plug-like structure associated with nascent magnetosomes, which could possibly correspond to the long-speculated barrier between the lumen of the vesicle and the periplasmic space. In addition, a ribosome-free exclusion zone around magnetosomes and a surfacial concentric cover-like structure were detected, likely corresponding to a magnetosomal protein shell. Furthermore, several other unidentified cellular structures were observed and briefly summarized.
Altogether, the results of this thesis demonstrate that the magnetoskeleton and the cell cycle in M.gryphiswaldense are more complex than previously assumed and that magnetosomes represent one of the most intricate levels of organelle organization known in bacteria. Finally, this work converges and substantiates the missive that bacteria are complex, powerful and fascinating forms of life.

Abstract in another language

Magnetotaktische Bakterien synthetisieren spezifische Organellen, die vereinfacht als membranumschlossene Magnetit-Nanokristalle angesehen werden können und als Magnetosomen bezeichnet werden. Die Magnetosomen werden in der Zelle mit Hilfe des aktinartigen, filamentbildenden Proteins MamK und dem Adaptorprotein MamJ zu einer linearen Kette kombiniert, die als effizienter Magnetfeldrezeptor wirkt, der die Zelle passiv am Erdmagnetfeld ausrichtet und so deren taktische Suche nach geeigneten Umgebungsbedingungen optimiert. In dem Modellorganismus Magnetospirillum gryphiswaldense befindet sich die Magnetosomenkette während der Zytokinese exakt in der Zellmitte, wo sie in zwei Teilketten zerlegt und damit die Fähigkeit zur Magnetotaxis physisch an jede Tochterzelle direkt übertragen wird. Anschließend werden die Teilketten wahrscheinlich durch MamK-abhängige Transportprozesse vom neuen Zellpol zur Zellmitte transloziert. Die molekularbiologischen Grundlagen dieser dynamischen Kettensegregation sowie deren Koordination mit dem Zellzyklus sind bisher weitgehend unerforscht.
In dieser Arbeit wird mit Hilfe fluoreszenzmikroskopischer und photokinetischer Experimente in vivo gezeigt, dass eine gerichtete, laufbandartige MamK-Dynamik für die Kettentranslokation vom Pol zur Zellmitte verantwortlich ist. Außerdem wird festgestellt, dass eine intakte MamK-Dynamik für die präzise Zerlegung der Magnetosomenkette in zwei gleiche Teile während der Zytokinese essentiell ist. MamK und MamJ werden damit als Triebfeder für die dynamische Magnetosomenlokalisation identifiziert.
Eine mamK-Deletion führt überraschenderweise jedoch nicht zum völligen Verlust der Kettenbildung sondern ruft die Entstehung fragmentierter Ketten hervor, was die Existenz weiterer, bisher unentdeckter Strukturelemente nahelegt. In dieser Arbeit wird mit Hilfe von Cryo-Elektronentomografie zunächst gezeigt, dass die Magnetosomenkette ausschließlich entlang der positiven Kurvatur der inneren Zellmembran, d.h. entlang der geodätischen Achse der helikalen Zelle verläuft. Diese geodätische Positionierung ging nach Deletion des mamY-Gens verloren und eine mamK-mamY Doppelmutante war nicht mehr in der Lage, Magnetosomen in Ketten anzuordnen, was nahelegt, dass das Transmembranprotein MamY eine neue und essentielle Komponente der Magnetosomenkettenbildung und –positionierung darstellt. Diese Annahme wird anschließend durch artifizielle Konstruktion einer MamY-stabilisierten Magnetosomenkette in vivo unter Umgehung von MamK und MamJ gestützt. PALM und 3D-SIM-Analysen zeigen, dass MamY entlang der geodätischen Zellachse angereichert und hier wahrscheinlich in einem polymeren Zustand vorliegt. Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass die Funktion von MamY darin besteht, positive Zellkurvaturen zu markieren und einen linearen Magnetfeldrezeptor in einer helikalen Zelle so zu positionieren, dass magnetisches Dipolmoment und zelluläre Motilitätsachse kongruent bleiben. MamY repräsentiert damit eine neue Komponente des „Magnetskeletts“, das aus essentiellen Proteinen für die räumliche Fixierung und Dynamik der Magnetosomen besteht.
Da die Koordination der Magnetosomendynamik mit dem Zellzyklus nur ansatzweise verstanden ist, wurde des Weiteren die Funktion der Zellzyklusregulatoren PopZ und MipZ analysiert. PopZ markiert in Alphaproteobakterien die Zellpole, verankert hier die Chromosomen und erlaubt dadurch deren zuverlässige Segregation, während MipZ einen intrazellulären Konzentrationsgradienten bildet, der für die richtige Lokalisierung des Septums essentiell ist. Das Genom von M. gryphiswaldense codiert zwei MipZ-Homologe, jedoch konnte nur für „MipZ-like 1“ die Ausbildung eines Konzentrationsgradienten nachgewiesen werden. Unerwartet waren sowohl Einzel- als auch Doppeldeletion beider mipZ-Gene möglich, jedoch beeinträchtigte die Deletion von mipZ-like 1 die Zellteilung. Ein Verlust von PopZ führte zur Entstehung filamentöser sowie polarer Mini-Zellen. Obwohl für popZ- und mipZ kein Einfluss auf die Magnetosomen- oder MamK-Dynamik gefunden wurde, erwiesen sich PopZ und MipZ-like 1 als Schlüsselproteine im Zellzyklus von M. gryphiswaldense, welcher offenbar leicht abweichend von anderen Alphaproteobakterien reguliert wird. Für PopZ wurde die Bildung eines polar lokalisierten, filamentösen Netzwerks vorhergesagt, wofür bisher jedoch kein direkter Nachweis existierte. In dieser Arbeit wird mit Hilfe von volta phase plate (VPP) Cryo-ET gezeigt, dass PopZ in M. gryphiswaldense ein engmaschiges, dreidimensional ungeordnetes und flexibles polares Netzwerk aus Filamenten bildet. Diese direkte Abbildung der PopZ-Filamente bestätigt erstmalig die Existenz eines bakteriellen zytoskelettalen Netzwerks in situ.
Die umfangreichen Cryo-ET-Analysen in dieser Arbeit führten darüber hinaus zur Entdeckung neuer magnetosomenassoziierter und anderer subzellulärer Strukturen. Mit VPP Cryo-ET konnte beispielsweise eine periplasmatische, pfropfenartige Struktur identifiziert werden, die mit naszierenden Magnetosomen in Verbindung steht und möglicherweise die diskutierte, bisher aber unbekannte Diffusionsbarriere zwischen dem Lumen der Vesikel und dem Periplasma repräsentiert. Außerdem konnten eine ribosomenfreie Zone sowie eine konzentrische, schalenartige Struktur um die Magnetosomen detektiert werden, die wahrscheinlich eine Hülle aus magnetosomenassoziierten Proteinen verkörpert. Darüber hinaus wurden weitere, bisher unbeschriebene subzelluläre Strukturen gefunden und im Überblick dargestellt.
Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass sowohl das „Magnetskelett“ als auch der Zellzyklus von M. gryphiswaldense deutlich komplexer sind, als bisher angenommen und dass Magnetosomen außerordentlich hoch organisierte, subzelluläre Strukturen repräsentieren, die von Bakterien bisher kaum bekannt sind und hebt hervor, dass auch diese Organismen strukturell komplexe und zugleich faszinierende Lebensformen darstellen.

Further data

Item Type: Doctoral thesis
Keywords: magnetotactic bacteria; magnetotaxis; magnetosomes; cytoskeleton; cell cycle; cell division; segregation; partitioning; magnetoskeleton; actin-like; MamK; MamY; MipZ; PopZ; cryo-electron tomography; cell biology; organelles
Institutions of the University: Faculties > Faculty of Biology, Chemistry and Earth Sciences
Faculties > Faculty of Biology, Chemistry and Earth Sciences > Department of Biology
Faculties > Faculty of Biology, Chemistry and Earth Sciences > Department of Biology > Chair Microbiology
Faculties > Faculty of Biology, Chemistry and Earth Sciences > Department of Biology > Chair Microbiology > Chair Microbiology - Univ.-Prof. Dr. Dirk Schüler
Result of work at the UBT: Yes
DDC Subjects: 500 Science > 500 Natural sciences
500 Science > 570 Life sciences, biology
Date Deposited: 16 Jan 2021 22:00
Last Modified: 16 Jan 2021 22:00
URI: https://eref.uni-bayreuth.de/id/eprint/61949