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Local c-di-GMP signaling in the control of synthesis of the E. coli biofilm exopolysaccharide pEtN-cellulose

  • In many bacteria, the biofilm-promoting second messenger c-di-GMP is produced and degraded by multiple diguanylate cyclases (DGC) and phosphodiesterases (PDE), respectively. High target specificity of some of these enzymes has led to theoretical concepts of "local" c-di-GMP signaling. In Escherichia coli K-12, which has 12 DGCs and 13 PDEs, a single DGC, DgcC, is specifically required for the biosynthesis of the biofilm exopolysaccharide pEtN-cellulose without affecting the cellular c-di-GMP pool, but the mechanistic basis of this target specificity has remained obscure. DGC activity of membrane-associated DgcC, which is demonstrated in vitro in nanodiscs, is shown to be necessary and sufficient to specifically activate cellulose biosynthesis in vivo. DgcC and a particular PDE, PdeK (encoded right next to the cellulose operon), directly interact with cellulose synthase subunit BcsB and with each other, thus establishing physical proximity between cellulose synthase and a local sourceIn many bacteria, the biofilm-promoting second messenger c-di-GMP is produced and degraded by multiple diguanylate cyclases (DGC) and phosphodiesterases (PDE), respectively. High target specificity of some of these enzymes has led to theoretical concepts of "local" c-di-GMP signaling. In Escherichia coli K-12, which has 12 DGCs and 13 PDEs, a single DGC, DgcC, is specifically required for the biosynthesis of the biofilm exopolysaccharide pEtN-cellulose without affecting the cellular c-di-GMP pool, but the mechanistic basis of this target specificity has remained obscure. DGC activity of membrane-associated DgcC, which is demonstrated in vitro in nanodiscs, is shown to be necessary and sufficient to specifically activate cellulose biosynthesis in vivo. DgcC and a particular PDE, PdeK (encoded right next to the cellulose operon), directly interact with cellulose synthase subunit BcsB and with each other, thus establishing physical proximity between cellulose synthase and a local source and sink of c-di-GMP. This arrangement provides a localized, yet open source of c-di-GMP right next to cellulose synthase subunit BcsA, which needs allosteric activation by c-di-GMP. Through mathematical modeling and simulation, we demonstrate that BcsA binding from the low cytosolic c-di-GMP pool in E. coli is negligible, whereas a single c-di-GMP molecule that is produced and released in direct proximity to cellulose synthase increases the probability of c-di-GMP binding to BcsA several hundred-fold. This local c-di-GMP signaling could provide a blueprint for target-specific second messenger signaling also in other bacteria where multiple second messenger producing and degrading enzymes exist.zeige mehrzeige weniger

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Autor*innen:Anja RichterORCiD, A. Possling, N. Malysheva, K. P. Yousef, S. Herbst, M. von Kleist, R. Hengge
Dokumenttyp:Zeitschriftenartikel
Veröffentlichungsform:Verlagsliteratur
Sprache:Englisch
Titel des übergeordneten Werkes (Englisch):Journal of Molecular Biology
Jahr der Erstveröffentlichung:2020
Organisationseinheit der BAM:4 Material und Umwelt
4 Material und Umwelt / 4.1 Biologische Materialschädigung und Referenzorganismen
Veröffentlichende Institution:Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Verlag:Elsevir Ltd.
Jahrgang/Band:432
Ausgabe/Heft:16
Erste Seite:4576
Letzte Seite:4595
DDC-Klassifikation:Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften / Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Freie Schlagwörter:Bacterial second messenger; Biofilm; C-di-GMP; Cellulose synthase
Themenfelder/Aktivitätsfelder der BAM:Material
DOI:10.1016/j.jmb.2020.06.006
URN:urn:nbn:de:kobv:b43-511214
ISSN:0022-2836
Verfügbarkeit des Dokuments:Datei für die Öffentlichkeit verfügbar ("Open Access")
Lizenz (Deutsch):License LogoCreative Commons - CC BY-NC-ND - Namensnennung - Nicht kommerziell - Keine Bearbeitungen 4.0 International
Datum der Freischaltung:17.08.2020
Referierte Publikation:Ja
Datum der Eintragung als referierte Publikation:17.08.2020
Schriftenreihen ohne Nummerierung:Wissenschaftliche Artikel der BAM
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