Presence of calcium-binding motifs in PilY1 homologs correlates with Ca-mediated twitching motility and evolutionary history across diverse bacteria

Resumo

A motilidade por contração, envolvendo pili tipo IV, é essencial para a colonização do hospedeiro e a virulência de muitas bactérias patogênicas. Estudos sobre a PilY1, uma proteína pili tipo IV associada à ponta, indicam que a PilY1 funciona como um interruptor entre a extensão e a retração do pilus, resultando na motilidade por contração. Trabalhos recentes detectaram um motivo de ligação ao cálcio em PilY1 de alguns patógenos bacterianos animais e demonstraram que a ligação do cálcio a PilY1 com esse motivo regula a contração. Embora os estudos sobre PilY1 em patógenos não animais sejam limitados, nosso grupo demonstrou que a motilidade por contração no patógeno vegetal Xylella fastidiosa, que contém três homólogos de PilY1, é aumentada pela suplementação de cálcio. Foi realizado um estudo para investigar a relação filogenética entre múltiplos homólogos PilY1, a presença de motivos de ligação ao cálcio neles e a motilidade contorcida mediada pelo cálcio em diversas bactérias. As cepas analisadas continham de um a três homólogos PilY1, mas as análises filogenéticas indicaram que os homólogos PilY1 contendo o motivo de ligação ao cálcio Dx[DN]xDGxxD são filogeneticamente divergentes de outros homólogos PilY1. As bactérias associadas a plantas incluídas nessas análises foram então examinadas quanto a uma resposta de contração mediada pelo cálcio. Os resultados indicam que as bactérias devem ter pelo menos um homólogo PilY1 contendo o motivo Dx[DN]xDGxxD para apresentar um aumento mediado pelo cálcio na motilidade de contração, o que provavelmente reflete uma adaptação às concentrações ambientais de cálcio.

Abstract

Twitching motility, involving type IV pili, is essential for host colonization and virulence of many pathogenic bacteria. Studies of PilY1, a tip-associated type IV pili protein, indicate that PilY1 functions as a switch between pilus extension and retraction, resulting in twitching motility. Recent work detected a calcium-binding motif in PilY1 of some animal bacterial pathogens and demonstrated that binding of calcium to PilY1 with this motif regulates twitching. Though studies of PilY1 in non-animal pathogens are limited, our group demonstrated that twitching motility in the plant pathogen Xylella fastidiosa, which contains three PilY1 homologs, is increased by calcium supplementation. A study was conducted to investigate the phylogenetic relationship between multiple PilY1 homologs, the presence of calcium-binding motifs therein, and calcium-mediated twitching motility across diverse bacteria. Strains analyzed contained one to three PilY1 homologs, but phylogenetic analyses indicated that PilY1 homologs containing the calcium-binding motif Dx[DN]xDGxxD are phylogenetically divergent from other PilY1 homologs. Plant-associated bacteria included in these analyses were then examined for a calcium-mediated twitching response. Results indicate that bacteria must have at least one PilY1 homolog containing the Dx[DN]xDGxxD motif to display a calcium-mediated increase in twitching motility, which likely reflects an adaption to environmental calcium concentrations.