Structural bases for F plasmid conjugation and F pilus biogenesis in Escherichia coli

菌毛 生物 生物发生 质粒 周质间隙 细菌外膜 细菌接合 单元格信封 大肠杆菌 生物物理学 细胞生物学 DNA 遗传学 基因
作者
Bo Hu,Pratick Khara,Peter J. Christie
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [Proceedings of the National Academy of Sciences]
卷期号:116 (28): 14222-14227 被引量:88
标识
DOI:10.1073/pnas.1904428116
摘要

Bacterial conjugation systems are members of the large type IV secretion system (T4SS) superfamily. Conjugative transfer of F plasmids residing in the Enterobacteriaceae was first reported in the 1940s, yet the architecture of F plasmid-encoded transfer channel and its physical relationship with the F pilus remain unknown. We visualized F-encoded structures in the native bacterial cell envelope by in situ cryoelectron tomography (CryoET). Remarkably, F plasmids encode four distinct structures, not just the translocation channel or channel-pilus complex predicted by prevailing models. The F1 structure is composed of distinct outer and inner membrane complexes and a connecting cylinder that together house the envelope-spanning translocation channel. The F2 structure is essentially the F1 complex with the F pilus attached at the outer membrane (OM). Remarkably, the F3 structure consists of the F pilus attached to a thin, cell envelope-spanning stalk, whereas the F4 structure consists of the pilus docked to the OM without an associated periplasmic density. The traffic ATPase TraC is configured as a hexamer of dimers at the cytoplasmic faces of the F1 and F2 structures, where it respectively regulates substrate transfer and F pilus biogenesis. Together, our findings present architectural renderings of the DNA conjugation or “mating” channel, the channel–pilus connection, and unprecedented pilus basal structures. These structural snapshots support a model for biogenesis of the F transfer system and allow for detailed comparisons with other structurally characterized T4SSs.
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