Biochemical and structural characterization of Mycoplasma genitalium proteins MG438 and MG200

Abstract

Mycoplasma genitalium és una cèl·lula auto-replicant amb un genoma de mida petita que va ser desentrellat l’any 1995. En el present treball, dues proteïnes de M. genitalium, MG438 i MG200, potencialment implicades en la virulència del microorganisme i/o en processos patogènics, han estat objecte d’estudi, principalment des d’un punt de vista estructural. La proteïna MG438 correspon a una subunitat S d’un sistema de Restricció i Modificació (R-M) de tipus I. Aquestes subunitats estan involucrades en el reconeixement de seqüències de DNA en sistemes de R-M de tipus I. En M. genitalium, la MG438 apareix com una subunitat S orfe, suggerint que pot tenir altres funcions apart de la seva activitat específica en els complexes metiltransferasa (MTase) i endonucleasa (REase). L’estructura cristal·lina de MG438, la primera en ser resolta per a una subunitat S d’un sistema de R-M de tipus I, ha estat determinada usant el mètode de dispersió anòmala a múltiples longituds d’ona i refinada a una resolució de 2.3 Å. L’estructura consisteix en dos dominis globulars que consten cadascun d’ells d’uns 150 residus separats per un parell de llargues hèlices antiparal·leles d’uns 40 residus cadascuna que formen grans bobines levògires. Els dominis globulars corresponen als dominis de reconeixement de blancs (TRDs) mentre que les estructures tipus bobina corresponen respectivament a les regions conservades central (CR1) i C-terminal (CR2). A més, l’estructura de la MG438 presenta una topologia global cíclica amb un eix binari intra-subunitat que superposa les meitats N- i C-terminal de la molècula, cadascuna contenint un TRD i una CR. La ressemblança entre els TRDs i el domini petit de la TaqI MTase de tipus II, juntament amb la presència de la quasi simetria de la subunitat, va permetre proposar un model per al reconeixement dels DNAs objectiu. La comparació entre l’estructura de la MG438 i la d’una subunitat S pertanyent a l’arqueobacteri Methanococcus jannaschii, S.Mja, publicades pràcticament de manera simultània, posa en relleu les característiques estructurals conservades entre elles i al mateix temps, posa de manifest importants diferències en els TRDs i la seva disposició en relació als CRs. M. genitalium presenta un citoesquelet complex amb un orgànul terminal diferenciat que està implicat en l’adherència cel·lular i la motilitat. La MG200, localitzada en l’orgànul terminal, està directament implicada en la motilitat del micoplasma. La producció de la MG200 sencera va revelar que es comporta com un tetràmer en solució amb una gran tendència a agregar-se i una heterogeneïtat intrínseca que impedeix la seva cristal·lització. L’estructura cristal·lina de la EAGRb de la MG200 va ser resolta a una resolució de 2.9 Å pel mètode de dispersió anòmala d’una única longitud d’ona. Aquesta estructura és la primera peça d’informació estructural d’una proteïna de l’orgànul terminal. El domini presenta un nou plec que conté una simetria interna molt precisa que està relacionada amb una repetició de seqüència. La EAGRb forma un dímer, inclòs en la cel·la unitat del cristall, que és estabilitzat per un nucli hidrofòbic molt conservat. Algunes de les característiques del domini, tals com la seva plasticitat i la presència i organització dels eixos de simetria intra- i inter-subunitats, donen lloc a un desequilibri d’interaccions que suggereixen que la EARGb juga un paper important en les interaccions proteïna-proteïna. La informació sobre possibles estructures quaternàries de cadascun dels dominis de la proteïna MG200, juntament amb els estudis preliminars de microscòpia electrònica, van permetre proposar l’existència d’una simetria 222 (D2) per la proteïna MG200. Les particulars propietats dels dominis DnaJ i EAGRb podrien permetre la interacció amb altres components de l’orgànul terminal i resultar en la formació de les estructures supra-moleculars observades en l’orgànul terminal de cèl·lules de M. pneumoniae.

Mycoplasma genitalium is a self-replicating cell with a small genome size and just a small percentage of protein structures known, whose genome was completely unravelle in 1995. In the present work two M. genitalium proteins, MG438 and MG200, potentially implicated in the microorganism virulence and/or pathogenicity processes, were mainly studied from a structural point of view. The MG438 protein constitutes a type I Restriction-Modification (R-M) S subunit. These subunits are involved in the DNA sequence recognition in type I R-M systems. In M. genitalium, MG438 appears as an orphan S subunit suggesting it can have other functions rather than its regular activity in the methyltransferase (MTase) and restriction endonuclease (REase) complexes from type I R-M systems. The MG438 crystal structure, the first described from a type I R-M S subunit, was determined by the Multiple-wavelength Anomalous Dispersion method and refined at 2.3 Å resolution. The protein consists of two globular domains of about 150 residues each, separated by a pair of 40 residues long antiparallel α-helices, which form a left-handed super-coil. The globular domains correspond to the variable Target Recognition Domains (TRDs) while the coiled-coil structure correspond to the central (CR1) and C-terminal (CR2) Conserved Regions, respectively. Moreover, the MG438 structure presents an overall cyclic topology with an intra-subunit two-fold axis that superposes the N- and C-half parts of the molecule, each half containing a TRD and a CR. The straight structural resemblance found to exist between TRDs and the small domain of type II R-M N6-adenine DNA TaqI MTase, together with the presence of the intra-subunit quasi-symmetry in MG438, allowed the proposal of a model for the recognition of the target DNAs by the S subunits. The comparison between the MG438 structure and the almost simultaneously reported structure of an S subunit from the archae Methanococcus jannaschii, S.Mja, highlights the preserved structural features despite the low sequence identity. The comparison also reveals important differences in the TRDs and in their disposition with respect to the CRs. M. genitalium presents a complex cytoskeleton with a differentiated terminal organelle that is involved in cell adherence and motility. The MG200 multi-domain protein, thought to be localized in the terminal organelle, was found to be directly involved in mycoplasma motility. Production of the full-length MG200 protein revealed that it behaves as a tetramer in solution but also has a high tendency to aggregate and an intrinsic heterogeneity which prevents crystallization and, consequently, the X-ray crystal structure determination. The crystal structure of the EAGRb domain from the MG200 protein was solved to 2.9 Å resolution by the Single-wavelength Anomalous Dispersion method. This structure is the first piece of structural information from any terminal organelle protein. The domain presents an essentially new fold containing an accurate intra-domain symmetry, which relates with a sequence repeat. The EAGRb forms a dimer, contained in the crystal asymmetric unit, which is stabilized by a conserved hydrophobic core. Some of the domain features, such as its plasticity and the presence and organization of the intra- and inter-subunits symmetry axes, which result in the unbalance of interactions, strongly suggest a role for the EAGRb in protein-protein interactions. Information on the possible quaternary structures for each of the MG200 protein domains, together with preliminary single particle Electron Microscopy studies, allowed the proposal of a 222 (D2) symmetry for the full-length MG200 protein. The particular properties of the MG200 DnaJ and EAGRb domains could permit the interaction with other components of the terminal organelle and result in the formation of supra-molecular structures as the ones observed in the terminal organelles of M. pneumoniae cells.