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BIOspektrum | 04.12 | 18. Jahrgang

SONJA-VERENA ALBERS, ANNA-LENA HENCHE

MAX-PLANCK-INSTITUT FÜR TERRESTRISCHE MIKROBIOLOGIE, MARBURG

VAAM-Forschungspreis 2012Members of the third domain of life, the Archaea, exhibit a number of different cell surface structures which are similar in assembly and func-tion to bacterial type IV pili. These pili have been shown to be involved inprocesses like attachment, motility, and the exchange of DNA in Archaea.Intriguingly, the archaeal flagellum, called the archaellum, functionallyresembles the bacterial flagellum, although it is structurally alike type IVpili.

DOI: 10.1007/s12268-012-0193-9© Springer-Verlag 2012

ó Die Zelloberfläche der meisten Archaeenbesteht aus einem zweidimensionalen Pro-teinkristall, dem S-Layer (surface layer). DasS-Layer verleiht den Zellen Stabilität, da siekeine Zellwand besitzen, wie sie für Bakte-rien typisch ist. Zwar besitzen methanogeneArchaeen Peptidoglykan, dieses gleicht abernicht dem Murein der Bakterien, sondernbesteht aus „Pseudomurein“. Ein zweitesMerkmal archaeeller Zellen sind die Etherli-pide, die die Membran formen, anders als dieEsterlipide in Bakterien und Eukaryoten [1].

Alle drei Domänen des Lebens besitzenZelloberflächenstrukturen, etwa Pili. Diemeisten beschriebenen Zelloberflächen-strukturen bei Archaeen ähneln strukturellund evolutionär den bakteriellen Typ-IV-Pili [2]. In Bakterien erfüllen diese Pili eineVielzahl von Funktionen, wie z. B. Bewegung,Anheftung an Oberflächen und die Aufnah-me von DNA. Sie spielen damit eine wichtigeRolle in der Pathogenität Gram-negativer Bak-terien. In Archaeen wurden bisher Funktio-nen in der Schwimm- und Oberflächenmoti-lität, bei der Adhäsion und dem Austauschvon DNA nachgewiesen. Es gibt einige Merk-male, die zwischen den bakteriellen und denarchaeellen Typ-IV-Pili konserviert sind: Sobesitzen alle ein besonderes Signalpeptid, dasvor der Assemblierung in das Pilusfilamentprozessiert werden muss. Ähnlich wie dasSignalpeptid, das sekretorische Proteine zum

Sec-Translokon leitet, enthält das Typ-IV-Pilin-Signalpeptid eine positiv geladene N-Domäne,eine hydrophobe H-Domäne, die die Insertion

in die Membran ermöglicht, und eine C-Domä-ne, hinter der das Signalpeptid abgetrenntwird. Im Gegensatz zu Sec-abhängigen Sig-nalpeptiden wird jedoch bei Typ-IV-Präpili-nen nur die positiv geladene N-Domäne abge-spalten, womit die H-Domäne Teil des reifenProteins bleibt und eine essenzielle Funktionfür die korrekte Assemblierung des Pilus hat.Die Typ-IV-Präpilin-Peptidase der Archaeen,die für die Prozessierung der Typ-IV-Präpili-ne verantwortlich ist, PibD (Sulfolobales) oderFlaK (Methanogene), ist homolog zum bakte-riellen PilD, und beide haben eine ähnlicheErkennungssequenz [3, 4]. Dies ermöglichtees uns, das Programm FlaFIND zu schreiben(http://signalfind.org/flafind.html), mit demwir sowohl archaeelle als auch bakterielleTyp-IV-Piline und ihre Prozessierungsstellevorhersagen können [5]. Eine Analyse archae-eller Genome zeigte, dass diese viele Operons

Zelloberflächenstrukturen

Wie Archaeen Kontakt mit derUmwelt aufnehmen

˚ Abb. 1: Modell der Zellmembran von Sulfolobus acidocaldarius und S. solfataricus. Die Zelleumgibt ein S-Layer aus zwei Proteinen: SlaA bildet die äußere Hülle, und SlaB verankert das S-Layer in der Membran. Die unprozessierten Vorläufer der Aap-Piline, Ups-Piline, Archaelline undzuckerbindenden Proteine (Bindosom) werden in die Membran integriert, durch die Peptidase pro-zessiert und dann in die verschiedenen Zelloberflächenstrukturen eingegliedert. Die Assemblie-rungssysteme bestehen in allen vier Fällen aus zwei Komponenten: einer zytoplasmatischen ATPa-se und einem integralen Membranprotein (AapE/F, UpsE/F, FlaI/J und BasE/F), die jeweils ineinem homooligomeren Zustand vorliegen und homolog zu den bakteriellen Typ-IV-Pili-Komponen-ten sind. Das Bas-System besitzt zudem drei Pseudopiline, BasA/B/C, die eine Rolle bei der Ver-ankerung der Bindeproteine in der Zellwand spielen.

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besitzen, die möglicherweise Pili exprimie-ren können, da in diesen Genomen möglichePiline in der direkten Umgebung von PilB-und PilC-Homologen gefunden wurden. PilB,eine Membran-assoziierte ATPase, und PilC,ein polytopisches Membranprotein, bilden dieGrundstruktur von Typ-IV-Pili-Assemblie-rungssystemen und sind hierfür essenziell.Interessanterweise scheinen für die Assem-blierung von archaeellen Typ-IV-Pili meistensnur ein bis zwei Piline, ein PilB- und PilC-Homolog und ein oder zwei Proteine unbe-kannter Funktion, notwendig zu sein (Abb.1), während in Bakterien mindestens zwölfProteine benötigt werden. Darum wird diedetaillierte Analyse des Assemblierungsme-chanismus des archaeellen Systems auchdazu beitragen, wichtige Fragen zur Assem-blierung bakterieller Filamente zu beant-worten.

Sulfolobus als Modellsystem für dieAnalyse archaeeller Typ-IV-PiliVerschiedene Sulfolobus-Arten aus unter-schiedlichen geothermalen Gebieten weltweitbevorzugen Wachstumstemperaturen von 75bis 80 oC und eine saure Umgebung (pH 2 bis3). S. solfataricus, S. islandicus und S. acido-caldarius sind derzeit die einzigen genetischmanipulierbaren Crenarchaeoten; sie geltendaher als Modellorganismen dieses Phylums.Zudem besitzen die verschiedenen Sulfolobus-Stämme eine Vielzahl von Typ-IV-Pilus-Zel-lanhängen: das Archaellum, adhäsive Pili, UV-induzierbare Pili und das Bindosom (Abb. 1).

Das ArchaellumDas Flagellum bei Archaeen wird mittlerwei-le als „Archaellum“ bezeichnet [6], denn es

führt zwar die Funktionen eines Flagellumswie Schwimmen und Oberflächenbewegungaus, entspricht strukturell jedoch einem Typ-IV-Pilus. Die Untereinheiten des Archaellums,die Archaelline, werden zunächst wie die Prä-piline von PibD/FlaK modifiziert und an derBasis des Filaments assembliert. Zudem wer-den sie N-glykosyliert, was bisher nicht beibakteriellen Flagellinen, aber bei Pilinenbeobachtet wurde. Das Archaellum besitztalle typischen Untereinheiten eines Typ-IV-Pili-Assemblierungssystems, da PilB- undPilC-Homologe vorhanden sind (Abb. 1). Es isteine faszinierende Struktur, da es, obwohl esein Typ-IV-Pilus ist, rotieren kann, waszunächst für Halobacterium salinarum gezeigtwurde. Diese Rotation des Archaellums wirdnicht durch einen Protonen- oder Natrium-gradienten angetrieben, sondern ist abhän-gig von ATP-Hydrolyse [7]. Diese Merkmalemachten es notwendig, dieser Struktur einenneuen Namen zu geben und sie sowohl vonden bakteriellen Flagellen als auch von denTyp-IV-Pili abzugrenzen.

Im Gegensatz zu den Euryarchaeoten,deren Archaellum-Operon bis zu 14 Proteinebeinhalten kann, haben Crenarchaeoten einerelativ einfache Organisation mit sieben bisacht Proteinen. In S. acidocaldarius wurdekürzlich mittels Deletionsmutanten-Analysegezeigt, dass alle sieben Proteine essenziellfür die Assemblierung des Archaellumssind [8]. Mittels Thermomikroskopie wurdedemonstriert, dass das Archaellum die einzi-ge Oberflächenstruktur ist, mit denen Sulfo-lobus-Zellen schwimmen (bis zu 70 Mikro-meter pro Sekunde). Archaellen werden vor-wiegend in der stationären Phase exprimiert,wenn Nährstoffmangel auftritt. Negative und

positive Regulatoren sind über Proteinphos-phorylierung an der präzise abgestimmtenExpression des Archaellums beteiligt, derengenauer Wirkmechanismus Bestandteilaktueller Forschung unserer Arbeitsgruppeist.

UV-induzierbare PiliAlle bisher sequenzierten Sulfolobales besit-zen ein konserviertes Pili-Operon, das nurnach Bestrahlung mit UV-Licht hoch expri-miert wird. Sowohl in S. solfataricus als auchS. acidocaldarius führt die Expression derUV-Pili zu Zellaggregation, sodass drei bissechs Stunden nach Bestrahlung bis zu90 Prozent der Zellen in Aggregaten vorlie-gen [9, 10]. Dies ist ein aktiver und rever-sibler Prozess: Zehn Stunden nach UV-Bestrahlung sind keine Zellaggregate mehrzu finden; nahezu alle Zellen in den Aggre-gaten waren lebendig. Die Deletion dieserPili-Gene zeigte, dass die Zellen in den Aggre-gaten DNA austauschen und somit Schädenan der genomischen DNA, die durch die UV-Bestrahlung entstanden waren, effizienterreparieren konnten. Dieses System stellt dem-zufolge ein Kolonie-basierendes DNA-Repa-ratursystem dar. Da verschiedene Sulfolobus-Stämme in denselben Habitaten ko-existie-ren können, ist eine stammspezifische Zell-aggregation sinnvoll (Abb. 2). Dies konntenwir bestätigen und vermuten, dass die N-Gly-kane bei der spezifischen Erkennung eineRolle spielen.

Ein Pilus als AbstandshalterIn S. acidocaldarius kommt ein dritter Pilusvor, der archaeal adhesive pilus (Aap). Er istin großer Anzahl auf der Zelloberfläche vor-zufinden. Im Gegensatz zum Archaellum wirdder Aap-Pilus hauptsächlich in der exponen-tiellen Phase exprimiert, wenn die Wachs-tumsbedingungen für die Zellen optimal sind.Der Aap-Pilus ist hauptsächlich für die Adhä-sion an verschiedene Oberflächen verant-wortlich und spielt auch eine wichtige Rollebei der Bildung von Biofilmen [11]. In Aap-Deletionsmutanten war die Zelldichte in S. aci-docaldarius-Biofilmen sehr hoch und die Bio-filme dadurch wesentlich flacher als Wildtyp-Biofilme. Die Aap-Pili könnten im Biofilm eineArt „Abstandshalterfunktion“ haben, um denoptimalen Fluss von Nährstoffen zu ermög-lichen. Interessanterweise verhalten sich UV-Pili im Biofilm als Antagonisten zu den Aap-Pili, da UV-Pili-Deletionsmutanten einenlocker strukturierten Biofilm bilden, währenddie An- oder Abwesenheit des Archaellums

˚ Abb. 2: Mischungen von Sulfolobus-Spezies induziert durch UV-Strahlung (50 J/m2). Die Zellenwurden mit spezifischen FISH-Proben gefärbt. UV-induzierte Aggregate bilden nur Zellen der glei-chen Spezies (rechts). Gelb: S. acidocaldarius ; rot: S. tokodaii.

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keinen Einfluss auf die Struktur des Biofilmshat [11].

Das BindosomEin Bindosom, ein Komplex aus Zuckerbin-deproteinen, wurde bisher nur in S. solfata-ricus gefunden: Drei Zuckerbindeproteine, diejeweils Teil eines ABC-Transporters sind,besitzen eine Typ-IV-Pilin-Signalsequenz. Dasbindosome assembly system (Bas) besteht ausdrei Pilinen, einer PilB-ATPase und einemPilC-Homolog und ist essenziell für die Rei-fung der Zuckerbindeproteine in der Mem-bran. Ohne das Bas-System werden dieZuckerbindeproteine zwar korrekt prozes-siert, N-glykosyliert und können den jeweili-gen Zucker binden, aber nicht aktiv am Trans-port teilnehmen, sodass S. solfataricus nurauf diesen Zuckern wächst, wenn das Bas-System in trans exprimiert wird [12]. Das Bin-dosom beeinflusst die Stabilität des S. solfa-taricus-S-Layers, daher wird angenommen,dass die Bindeproteine in einer Pilus-ähn-lichen Struktur mit dem S-Layer interagierenund so Teil der Zellhülle sind.

Archaeen als einfaches ModellsystemArchaeen besitzen eine Vielzahl verschiede-ner Typ-IV-Pili, deren Funktion und einfacherAufbau das Spektrum bekannter Einsatzge-

biete dieser Oberflächenstrukturen erweiternund durch ihre relativ einfache Zusammen-setzung ein tieferes Verständnis ihrer Assem-blierung ermöglichen. Zudem ist das Archael-lum ein einzigartiger Typ-IV-Pilus, da dieserrotieren kann, und stellt somit ein faszinie-rendes Modellsystem für einen einfachenMotor dar.

DanksagungVielen Dank für die Forschungsförderung andie Max-Planck-Gesellschaft (MPG), die Deut-sche Forschungsgemeinschaft (DFG), dasBundesministerium für Bildung und For-schung (BMBF) und die Nederlandse Weten-schaps Organisatie (NWO). ó

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Korrespondenzadresse:PD Dr. Sonja-Verena AlbersMolekularbiologie von ArchaeenMax-Planck-Institut für terrestrische MikrobiologieKarl-von-Frisch-Straße 10D-35043 MarburgTel.: 06421-178426Fax: 06421-178429albers@mpi-marburg.mpg.de

AUTORINNEN

Anna-Lena Henche (links) und Sonja-VerenaAlbers

Anna-Lena HencheJahrgang 1986. 2006–2011 Biologiestudium an der Universität Marburg, Bachelor- und Master arbeit amMax-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie in Marburg, dort seit 2011 Doktor arbeit in der Max-Planck Research Group Molecular Biology of Archaea.

Sonja-Verena AlbersJahrgang 1972. 1991–1996 Biologiestudium an der Universität Würzburg, Diplomarbeit am MPI für Bio-chemie, München, bei Prof. Dr. W. Zillig. 1997–2001 Doktorarbeit in der Abteilung Molecular Micro -biology an der Universität Groningen, Niederlande. 2001–2003 Postdoc an der Universität Groningen;dort 2003–2006 VENI-Stipendium, 2006–2008 VIDI-Stipendium. Seit 2008 Leiterin einer unabhängi-gen Nachwuchsgruppe Molecular Biology of Archaea am Max-Planck-Institut für terrestrische Mikro -biologie in Marburg.