Resolving the energy paradox of chaperone/usher-mediated fibre assembly

Abstract

Periplasmic chaperone/usher machineries are used for assembly of filamentous adhesion organelles of Gram-negative pathogens in a process that has been suggested to be driven by folding energy. Structures of mutant chaperone-subunit complexes revealed a final folding transition (condensation of the subunit hydrophobic core) on the release of organelle subunit from the chaperone-subunit pre-assembly complex and incorporation into the final fibre structure. However, in view of the large interface between chaperone and subunit in the pre-assembly complex and the reported stability of this complex, it is difficult to understand how final folding could release sufficient energy to drive assembly. In the present paper, we show the X-ray structure for a native chaperone-fibre complex that, together with thermodynamic data, shows that the final folding step is indeed an essential component of the assembly process. We show that completion of the hydrophobic core and incorporation into the fibre results in an exceptionally stable module, whereas the chaperone-subunit pre-assembly complex is greatly destabilized by the high-energy conformation of the bound subunit. This difference in stabilities creates a free energy potential that drives fibre formation.

Untitled

“…Образование капсулы кодируется кластером генов caf, гены которого, caf1, caf1M, caf1A и caf1R, коди-руют, соответственно, Caf1 субьединицу, периплаз-матический шаперон Caf1M, молекулярный ашер Caf1A и белок Caf1R, регулирующий транскрипцию кластера генов [18,19,[24][25][26]. Свободные от шапе-ронов субъединицы полиадгезинов весьма неста-бильны и склонны к образованию агрегатов [53,55]. Поэтому информация о структуре многих субъеди-ниц фибриллярных органелл адгезии была получена при изучении комплексов шаперон-субъединица [7,27,35,38,40,46,52,53].…”

“…Свободные от шапе-ронов субъединицы полиадгезинов весьма неста-бильны и склонны к образованию агрегатов [53,55]. Поэтому информация о структуре многих субъеди-ниц фибриллярных органелл адгезии была получена при изучении комплексов шаперон-субъединица [7,27,35,38,40,46,52,53]. Кристаллическая структура комплексов шаперон-субъединица для пилей I типа FimC-FimH [7] и P пилей PapD-PapK, PapD-PapE и PapD-PapA [38,39,40,46] позволила обнаружить, что субъединицы пилей (пилины), как и шапероны, имеют иммуноглобулино-подобную (Ig) структуру.…”

“…В результате, три гидрофобных боковых цепи в консервативном фраг-менте G1 вставляются в гидрофобную акцепторную щель и становятся составной частью гидрофобного ядра субъединицы. Кристаллические структуры комплексов шаперон-субъединица Caf1M-Caf1 и SafB-SafA позволили увидеть конформацию субъе-диниц полиадгезинов, комплементированную шапе-роном [35,48,52,53]. Как и пилины, субъединицы полиадгезинов Caf1 и SafA имеют недостроенную Ig структуру.…”

“…Структура этой области более вариабельна в полиадгезинах, чем в пилинах, и потенциально может участвовать в образовании центров связыва-ния, а также антигенных эпитопов, специфичных для каждой из органелл. Самые большие отличия между двумя классами субъединиц и соответствующих им шаперонов обнаружены в области взаимодействия шаперон-субъединица [31,35,46,52,53]. Конец петли F1-G1 и начало β-тяжа G1 в PapD содержит мотив из четырех остатков, которые участвуют в связывании субъединицы.…”

“…Эта же область в молекуле SafB содержит похожий мотив из пяти остатков, ко-торый включает один небольшой гидрофобный (A114) и четыре массивных гидрофобных остатка (L116, L118, L120 и I122) [35]. Конец петли F1-G1 и начало β-тяжа G1 в Caf1M содержит мотив из пяти перемежающихся массивных гидрофобных остат-ков (V126, V128, V130, F132 and I134) [52,53]. Остальная часть петли F1-G1 (остатки 96-102 в PapD, 104-113 в SafB и 104-123 в Caf1M) в кристал-лической структуре неупорядочена.…”