ÿþA N R V 3 2 2 - M I 6 1 - 1 1 A R I 6 A u g u s t 2 0 0 7 1 6 : 5 9
B i o g e n e s i s o f t h e
G r a m - N e g a t i v e B a c t e r i a l
O u t e r M e m b r a n e
M a r t i n e P . B o s , V i v i a n e R o b e r t ,
a n d J a n T o m m a s s e n
D e p a r t m e n t o f M o l e c u l a r M i c r o b i o l o g y a n d I n s t i t u t e o f B i o m e m b r a n e s ,
U t r e c h t U n i v e r s i t y , 3 5 8 4 C H U t r e c h t , T h e N e t h e r l a n d s ; e m a i l : m . b o s @ u u . n l ,
v i v i a n e r o b e r t @ h o t m a i l . c o m , j . p . m . t o m m a s s e n @ u u . n l
A n n u . R e v . M i c r o b i o l . 2 0 0 7 . 6 1 : 1 9 1 2 1 4
K e y W o r d s
F i r s t p u b l i s h e d o n l i n e a s a R e v i e w i n A d v a n c e o n
l i p o p o l y s a c c h a r i d e , o u t e r m e m b r a n e p r o t e i n s , l i p o p r o t e i n s ,
J u n e 7 , 2 0 0 7
p h o s p h o l i p i d s
T h e A n n u a l R e v i e w o f M i c r o b i o l o g y i s o n l i n e a t
m i c r o . a n n u a l r e v i e w s . o r g A b s t r a c t
T h i s a r t i c l e s d o i :
T h e c e l l e n v e l o p e o f g r a m - n e g a t i v e b a c t e r i a c o n s i s t s o f t w o m e m -
1 0 . 1 1 4 6 / a n n u r e v . m i c r o . 6 1 . 0 8 0 7 0 6 . 0 9 3 2 4 5
b r a n e s , t h e i n n e r a n d t h e o u t e r m e m b r a n e , t h a t a r e s e p a r a t e d b y
C o p y r i g h t © 2 0 0 7 b y A n n u a l R e v i e w s .
t h e p e r i p l a s m . T h e o u t e r m e m b r a n e c o n s i s t s o f p h o s p h o l i p i d s ,
A l l r i g h t s r e s e r v e d
l i p o p o l y s a c c h a r i d e s , i n t e g r a l m e m b r a n e p r o t e i n s , a n d l i p o p r o t e i n s .
0 0 6 6 - 4 2 2 7 / 0 7 / 1 0 1 3 - 0 1 9 1 $ 2 0 . 0 0
T h e s e c o m p o n e n t s a r e s y n t h e s i z e d i n t h e c y t o p l a s m o r a t t h e i n n e r
l e a f l e t o f t h e i n n e r m e m b r a n e a n d h a v e t o b e t r a n s p o r t e d a c r o s s t h e
i n n e r m e m b r a n e a n d t h r o u g h t h e p e r i p l a s m t o a s s e m b l e e v e n t u a l l y
i n t h e c o r r e c t m e m b r a n e . R e c e n t s t u d i e s i n N e i s s e r i a m e n i n g i t i d i s a n d
E s c h e r i c h i a c o l i h a v e l e d t o t h e i d e n t i f i c a t i o n o f s e v e r a l m a c h i n e r i e s
i m p l i c a t e d i n t h e s e t r a n s p o r t a n d a s s e m b l y p r o c e s s e s .
1 9 1
b y C N R S - m u l t i - s i t e o n 1 0 / 1 1 / 0 7 . F o r p e r s o n a l u s e o n l y .
A n n u . R e v . M i c r o b i o l . 2 0 0 7 . 6 1 : 1 9 1 - 2 1 4 . D o w n l o a d e d f r o m a r j o u r n a l s . a n n u a l r e v i e w s . o r g
A N R V 3 2 2 - M I 6 1 - 1 1 A R I 6 A u g u s t 2 0 0 7 1 6 : 5 9
o t h e r g r a m - n e g a t i v e b a c t e r i a , h o w e v e r , t h e
p r o t e i n m o i e t y o f O M l i p o p r o t e i n s m a y a l s o
C o n t e n t s
e x t e n d i n t o t h e e x t r a c e l l u l a r m e d i u m ; e x -
I N T R O D U C T I O N . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 2
a m p l e s a r e t h e L b p B a n d T b p B c o m p o -
I N T E G R A L O U T E R M E M B R A N E
n e n t s o f t h e l a c t o f e r r i n a n d t r a n s f e r r i n r e -
P R O T E I N S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 3
c e p t o r , r e s p e c t i v e l y , o f N e i s s e r i a m e n i n g i t i d i s
P a s s a g e A c r o s s t h e I M a n d
( 7 0 ) .
T h r o u g h t h e P e r i p l a s m . . . . . . . . 1 9 3
T h e O M f u n c t i o n s a s a s e l e c t i v e b a r r i e r
A s s e m b l y i n t o t h e O M . . . . . . . . . . . . 1 9 4
t h a t p r o t e c t s t h e b a c t e r i a f r o m h a r m f u l c o m -
R o l e o f L P S i n O M P B i o g e n e s i s . . 1 9 9
p o u n d s , s u c h a s a n t i b i o t i c s , i n t h e e n v i r o n -
M o d e l f o r O M P B i o g e n e s i s . . . . . . . 2 0 0
m e n t . U n l i k e t h e I M , t h e O M i s n o t e n e r g i z e d
L I P O P R O T E I N S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 0
b y a p r o t o n g r a d i e n t a n d A T P i s n o t a v a i l -
L I P O P O L Y S A C C H A R I D E . . . . . . . . . 2 0 2
a b l e i n t h e p e r i p l a s m . I n t h e a b s e n c e o f r e a d -
S t r u c t u r e a n d B i o s y n t h e s i s . . . . . . . . 2 0 2
i l y a v a i l a b l e e n e r g y s o u r c e s , n u t r i e n t s u s u a l l y
T r a n s p o r t t o t h e C e l l S u r f a c e . . . . . 2 0 2
p a s s t h e O M b y p a s s i v e d i f f u s i o n v i a a n a b u n -
M o d e l s f o r L P S T r a n s p o r t . . . . . . . . 2 0 5
d a n t c l a s s o f t r i m e r i c O M P s c a l l e d p o r i n s ( 6 6 ) .
P H O S P H O L I P I D S . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 6
P o r i n s f o r m w a t e r - f i l l e d c h a n n e l s t h a t a l l o w
P E R S P E C T I V E S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 6
t h e p a s s a g e o f s m a l l h y d r o p h i l i c s o l u t e s w i t h
m o l e c u l a r w e i g h t s u p t o <"6 0 0 D a . N e v e r -
t h e l e s s , e n e r g y - r e q u i r i n g t r a n s p o r t p r o c e s s e s
i n t h e O M h a v e a l s o b e e n d e s c r i b e d . S u c h
I N T R O D U C T I O N
p r o c e s s e s a r e d e p e n d e n t o n c o m p l e x e n e r g y -
I M : i n n e r
T h e c e l l e n v e l o p e o f g r a m - n e g a t i v e b a c t e r i a c o u p l i n g s y s t e m s , s u c h a s t h e T o n B s y s t e m ,
m e m b r a n e
c o n s i s t s o f t w o m e m b r a n e s , t h e i n n e r m e m - w h i c h c o u p l e s t h e p r o t o n - m o t i v e f o r c e o f t h e
O M : o u t e r
b r a n e ( I M ) a n d t h e o u t e r m e m b r a n e ( O M ) , I M t o r e c e p t o r - m e d i a t e d u p t a k e p r o c e s s e s i n
m e m b r a n e
t h a t a r e s e p a r a t e d b y t h e p e r i p l a s m c o n t a i n i n g t h e O M ( 1 1 0 ) .
P e r i p l a s m :
t h e p e p t i d o g l y c a n l a y e r . T h e t w o m e m b r a n e s W h e r e a s t h e c o m p o s i t i o n , s t r u c t u r e , a n d
c o m p a r t m e n t
h a v e a n e n t i r e l y d i f f e r e n t s t r u c t u r e a n d c o m - f u n c t i o n o f t h e O M h a v e b e e n k n o w n f o r
b e t w e e n t h e i n n e r
p o s i t i o n . W h e r e a s t h e I M i s a p h o s p h o l i p i d d e c a d e s , i t s a s s e m b l y i n t h e a b s e n c e o f e n -
a n d o u t e r
b i l a y e r , t h e O M i s a n a s y m m e t r i c a l b i l a y e r , e r g y s o u r c e s h a s r e m a i n e d l a r g e l y e n i g m a t i c .
m e m b r a n e s
c o n s i s t i n g o f p h o s p h o l i p i d s a n d l i p o p o l y s a c - A l l t h e c o m p o n e n t s o f t h e O M a r e s y n -
P e p t i d o g l y c a n :
c h a r i d e s ( L P S ) i n t h e i n n e r a n d o u t e r l e a f l e t , t h e s i z e d i n t h e c y t o p l a s m o r a t t h e c y t o -
b a c t e r i a l c e l l w a l l
r e s p e c t i v e l y . A d d i t i o n a l l y , t h e s e m e m b r a n e s p l a s m i c f a c e o f t h e I M , a n d t h e y h a v e t o
c o n s i s t i n g o f s u g a r
p o l y m e r s c o v a l e n t l y
d i f f e r w i t h r e s p e c t t o t h e s t r u c t u r e o f t h e b e t r a n s p o r t e d a c r o s s t h e I M a n d t h r o u g h
c o n n e c t e d v i a
i n t e g r a l m e m b r a n e p r o t e i n s . W h e r e a s i n t e - t h e p e r i p l a s m t o r e a c h t h e i r d e s t i n a t i o n a n d
o l i g o p e p t i d e s
g r a l I M p r o t e i n s t y p i c a l l y s p a n t h e m e m b r a n e t o a s s e m b l e i n t o t h e O M . R e c e n t l y , m a n y
L i p o p o l y s a c c h a r i d e
i n t h e f o r m o f h y d r o p h o b i c ±- h e l i c e s , i n t e - n e w c o m p o n e n t s i n v o l v e d i n t h e s e p r o c e s s e s
( L P S ) : g l y c o l i p i d
g r a l O M p r o t e i n s ( O M P s ) g e n e r a l l y c o n s i s t h a v e b e e n d e s c r i b e d , a n d i n t h i s r e v i e w w e
c o n s t i t u t i n g t h e
o f a n t i p a r a l l e l a m p h i p a t h i c ²- s t r a n d s t h a t f o l d f o c u s o n t h e s e r e c e n t d e v e l o p m e n t s . A p a r t
o u t e r l a y e r o f t h e
i n t o c y l i n d r i c a l ²- b a r r e l s w i t h a h y d r o p h i l i c f r o m s t u d i e s i n t h e c l a s s i c a l m o d e l o r g a n i s m s ,
b a c t e r i a l o u t e r
m e m b r a n e
i n t e r i o r a n d h y d r o p h o b i c r e s i d u e s p o i n t i n g E . c o l i a n d S a l m o n e l l a e n t e r i c a , m u c h p r o g r e s s
o u t w a r d t o f a c e t h e m e m b r a n e l i p i d s ( 4 9 ) . i n t h i s f i e l d w a s r e a c h e d b y s t u d y i n g N . m e n i n -
²- b a r r e l : c o m m o n
s t r u c t u r e o f o u t e r
B o t h m e m b r a n e s a l s o c o n t a i n l i p o p r o t e i n s , g i t i d i s , a n d a c o m p a r i s o n b e t w e e n t h e s e s y s -
m e m b r a n e p r o t e i n s ,
w h i c h a r e a n c h o r e d t o t h e m e m b r a n e s v i a t e m s r e v e a l s i m p o r t a n t d i f f e r e n c e s i n t h e s e
c o n s i s t i n g o f
a n N - t e r m i n a l N - a c y l - d i a c y l g l y c e r y l c y s t e i n e , f u n d a m e n t a l p r o c e s s e s . H e n c e , w h a t i s t r u e
a m p h i p a t h i c
w i t h t h e p r o t e i n m o i e t y u s u a l l y f a c i n g t h e f o r E . c o l i i s n o t n e c e s s a r i l y t r u e f o r o t h e r
a n t i p a r a l l e l ²- s t r a n d s
p e r i p l a s m i n t h e c a s e o f E s c h e r i c h i a c o l i . I n b a c t e r i a .
1 9 2 B o s R o b e r t T o m m a s s e n
· ·
b y C N R S - m u l t i - s i t e o n 1 0 / 1 1 / 0 7 . F o r p e r s o n a l u s e o n l y .
A n n u . R e v . M i c r o b i o l . 2 0 0 7 . 6 1 : 1 9 1 - 2 1 4 . D o w n l o a d e d f r o m a r j o u r n a l s . a n n u a l r e v i e w s . o r g
A N R V 3 2 2 - M I 6 1 - 1 1 A R I 6 A u g u s t 2 0 0 7 1 6 : 5 9
( w h e r e A r i s a n a r o m a t i c r e s i d u e a n d X i s a n y
I N T E G R A L O U T E R M E M B R A N E
r e s i d u e ) . T r a n s m e m b r a n e ²- s t r a n d s o f O M P s
P R O T E I N S
L i p o p r o t e i n :
a r e p a r t i c u l a r l y e n r i c h e d w i t h s u c h m o t i f s .
P a s s a g e A c r o s s t h e I M a n d T h r o u g h
p r o t e i n a t t a c h e d t o
L i k e s k p m u t a n t s , s u r A m u t a n t s a r e v i a b l e , b u t
t h e b a c t e r i a l i n n e r o r
t h e P e r i p l a s m
t h e c o m b i n a t i o n o f a n s k p a n d a s u r A m u t a -
o u t e r m e m b r a n e v i a
t i o n r e s u l t s i n a s y n t h e t i c a l l y l e t h a l p h e n o t y p e
I n t e g r a l O M P s a r e s y n t h e s i z e d i n t h e c y t o -
a n N - t e r m i n a l l i p i d
( 7 5 ) . T h e r e f o r e , i t w a s s u g g e s t e d t h a t S k p a n d
p l a s m a s p r e c u r s o r s w i t h a n N - t e r m i n a l s i g n a l m o i e t y
S u r A a r e f u n c t i o n a l l y r e d u n d a n t a n d t h a t t h e y
s e q u e n c e , w h i c h i s r e q u i r e d f o r t r a n s l o c a t i o n
P o r i n : p r o t e i n t h a t
o p e r a t e i n p a r a l l e l p a t h w a y s f o r c h a p e r o n e a c - f o r m s w a t e r - f i l l e d
a c r o s s t h e I M . T w o t r a n s l o c a t i o n m a c h i n e r i e s
t i v i t y ( 7 5 ) . H o w e v e r , t h i s i s n o t t h e o n l y p o s - c h a n n e l s i n t h e o u t e r
h a v e b e e n i d e n t i f i e d : t h e S e c s y s t e m f o r t h e
m e m b r a n e
s i b l e e x p l a n a t i o n f o r t h e s y n t h e t i c p h e n o t y p e .
t r a n s l o c a t i o n o f u n f o l d e d p r o t e i n s ( 2 3 ) a n d
S e c s y s t e m : g e n e r a l
W e f a v o r t h e p o s s i b i l i t y t h a t S k p a n d S u r A a c t
t h e T a t s y s t e m , w h i c h t r a n s p o r t s p r o t e i n s
p r o t e i n e x p o r t
s e q u e n t i a l l y i n t h e s a m e p a t h w a y ( F i g u r e 1 ) .
f o l d e d i n t h e c y t o p l a s m ( 5 7 ) . H o w e v e r , t o
a p p a r a t u s
S k p m a y a c t a s a h o l d i n g c h a p e r o n e , p r e v e n t -
o u r k n o w l e d g e , a l l O M P s s t u d i e d t o d a t e a r e
C h a p e r o n e : p r o t e i n
i n g a g g r e g a t i o n o f n o n n a t i v e O M P s i n t h e
t r a n s p o r t e d v i a t h e S e c s y s t e m , i n d i c a t i n g t h a t
t h a t g u i d e s a n o t h e r
p e r i p l a s m , a n d S u r A m a y a c t a s a f o l d i n g c h a p -
t h e y r e a c h t h e p e r i p l a s m i n a n u n f o l d e d s t a t e .
m o l e c u l e t o i t s
e r o n e . T h e d e m a n d f o r t h e h o l d i n g c h a p e r -
A f t e r t r a n s p o r t a c r o s s t h e I M , t h e n a s c e n t
d e s t i n a t i o n , b e i n g
o n e m a y b e l i m i t e d w h e n t h e s u b s e q u e n t f o l d - t h e f o l d e d s t a t e o r
O M P s a r e a c c e s s i b l e t o p e r i p l a s m i c c h a p e r -
t h e r i g h t c e l l u l a r
i n g a n d a s s e m b l y s t e p s a r e e f f i c i e n t . U n d e r
o n e s ( 3 0 ) . T h e s e c h a p e r o n e s h a v e b e e n s t u d -
c o m p a r t m e n t
t h o s e c o n d i t i o n s , t h e O M P s h a v e o n l y l i t t l e
i e d e x t e n s i v e l y , m a i n l y i n E . c o l i . O n e o f
c h a n c e t o a g g r e g a t e a n d a n s k p n u l l m u t a t i o n
t h e s e c h a p e r o n e s , S k p ( s e v e n t e e n - k i l o d a l t o n -
p r o t e i n ) , i m m e d i a t e l y i n t e r a c t s w i t h t h e
O M P s a s s o o n a s t h e y e m e r g e f r o m t h e
S e c c h a n n e l ( 3 7 ) . T h e c r y s t a l s t r u c t u r e o f
O M
t h i s h o m o t r i m e r i c p r o t e i n r e s e m b l e s a t h r e e -
O m p 8 5
O M P
P o r i n
p r o n g e d g r a s p i n g f o r c e p s t h a t c o u l d b i n d a
C
n o n n a t i v e O M P b e t w e e n t h e p r o n g s a n d p r o -
Y f g L
N l p B
Y f i O
t e c t i t a n d p r e v e n t i t f r o m a g g r e g a t i n g d u r -
i n g p a s s a g e t h r o u g h t h e p e r i p l a s m ( 5 2 , 1 0 9 ) .
S u r A
A n s k p m u t a n t o f E . c o l i i s v i a b l e b u t c o n t a i n s
C
P e r i p l a s m
d e c r e a s e d a m o u n t s o f O M P s ( 1 6 ) . A n o t h e r
p e r i p l a s m i c c h a p e r o n e , S u r A , w a s i n i t i a l l y
i d e n t i f i e d a s a p r o t e i n r e q u i r e d f o r s u r v i v a l
S k p
d u r i n g t h e s t a t i o n a r y p h a s e ( 1 0 2 ) . M u t a n t s i n
s u r A d i s p l a y a n O M P a s s e m b l y d e f e c t ( 5 6 ) ,
a n d s p e c i f i c a l l y t h e c o n v e r s i o n o f u n f o l d e d
I M
m o n o m e r s o f O M P s i n t o f o l d e d m o n o m e r s
S e c
a p p e a r s a f f e c t e d i n s u c h m u t a n t s ( 7 7 ) . T h e
p r o t e i n h a s p e p t i d y l - p r o l y l c i s / t r a n s i s o m e r a s e
F i g u r e 1
( P P I a s e ) a c t i v i t y ( 5 6 , 6 2 ) , w h i c h n e v e r t h e l e s s
M o d e l f o r O M P b i o g e n e s i s . A s s o o n a s a n O M P e m e r g e s f r o m t h e S e c
a p p e a r s t o b e d i s p e n s a b l e f o r t h e c h a p e r o n e
t r a n s l o c o n , i t i s b o u n d b y t h e c h a p e r o n e S k p , w h i c h m a y p r e v e n t
f u n c t i o n ( 5 ) . U n l i k e m o s t c y t o p l a s m i c c h a p e r - a g g r e g a t i o n i n t h e p e r i p l a s m . T h e C - t e r m i n a l s i g n a t u r e s e q u e n c e o f t h e
O M P f u n c t i o n s a s a t a r g e t i n g s i g n a l a n d b i n d s t h e p e r i p l a s m i c d o m a i n o f
o n e s , S u r A i s s e l e c t i v e a n d p r e f e r e n t i a l l y b i n d s
O m p 8 5 . O t h e r c h a p e r o n e s a n d f o l d i n g c a t a l y s t s , s u c h a s S u r A , m a y a c t o n
n o n n a t i v e O M P s o v e r o t h e r p r o t e i n s ( 5 ) . B y
t h e O M P . A f t e r f o l d i n g , t h e O M P i n s e r t s i n t o t h e l i p i d b i l a y e r , p o s s i b l y i n
s c r e e n i n g p e p t i d e l i b r a r i e s , H e n n e c k e e t a l .
b e t w e e n t h e O m p 8 5 s u b u n i t s . O l i g o m e r i z a t i o n o f c e r t a i n O M P s , s u c h a s
( 3 8 ) d e m o n s t r a t e d t h a t S u r A b i n d s p e p t i d e s
p o r i n s , m a y o c c u r a f t e r i n s e r t i o n . T h e e x a c t f u n c t i o n o f t h e a c c e s s o r y
r i c h i n a r o m a t i c r e s i d u e s a n d p r e f e r e n t i a l l y l i p o p r o t e i n s Y f g L , Y f i O , a n d N l p B i s n o t k n o w n . A n o t h e r a c c e s s o r y
l i p o p r o t e i n r e c e n t l y i d e n t i f i e d , S m p A ( 8 4 ) , i s n o t i n d i c a t e d h e r e .
t h o s e c o n t a i n i n g A r - A r o r A r - X - A r m o t i f s
"
w w w . a n n u a l r e v i e w s . o r g O u t e r M e m b r a n e B i o g e n e s i s 1 9 3
b y C N R S - m u l t i - s i t e o n 1 0 / 1 1 / 0 7 . F o r p e r s o n a l u s e o n l y .
A n n u . R e v . M i c r o b i o l . 2 0 0 7 . 6 1 : 1 9 1 - 2 1 4 . D o w n l o a d e d f r o m a r j o u r n a l s . a n n u a l r e v i e w s . o r g
A N R V 3 2 2 - M I 6 1 - 1 1 A R I 6 A u g u s t 2 0 0 7 1 6 : 5 9
h a s o n l y a l i m i t e d e f f e c t . T h e d e m a n d f o r s u c h a r o l e f o r D e g P i n O M P a s s e m b l y ( 7 5 ) . H o w -
a c h a p e r o n e w i l l i n c r e a s e w h e n t h e s u b s e q u e n t e v e r , t h e r o l e o f D e g P a s a p r o t e a s e , r e m o v -
f o l d i n g a n d a s s e m b l y p r o c e s s e s a r e h a m p e r e d , i n g m i s f o l d e d o r u n f o l d e d O M P s f r o m t h e
P P I a s e :
e . g . , i n a s u r A m u t a n t . H e n c e , i t i s n o t p o s s i b l e p e r i p l a s m , m a y b e m o r e i m p o r t a n t t h a n i t s
p e p t i d y l - p r o l y l
t o c o n s t r u c t t h e s k p s u r A d o u b l e m u t a n t . f u n c t i o n a s a c h a p e r o n e i n t h i s r e s p e c t ( 1 3 ) .
c i s / t r a n s i s o m e r a s e
A p a r t f r o m S u r A , t h e p e r i p l a s m c o n t a i n s
ÃE : a l t e r n a t i v e
t h r e e o t h e r P P I a s e s , P p i A ( a l s o k n o w n a s
s i g m a f a c t o r t h a t
A s s e m b l y i n t o t h e O M
g u i d e s R N A
R o t A ) , P p i D , a n d F k p A . P p i A i s b y f a r t h e
p o l y m e r a s e t o t h e
m o s t a c t i v e o f t h e m , b e c a u s e i t s i n a c t i v a t i o n T h e i n s e r t i o n o f O M P s i n t o t h e O M h a s l o n g
p r o m o t e r s o f g e n e s
l e a d s t o b a r e l y d e t e c t a b l e r e s i d u a l P P I a s e a c - r e m a i n e d e n i g m a t i c a n d h a s b e e n c o n s i d e r e d
i n v o l v e d i n r e l i e v i n g
t i v i t y ( 4 7 ) . H o w e v e r , a p p i A n u l l m u t a t i o n h a d a s p o n t a n e o u s p r o c e s s ( 9 8 ) . H o w e v e r , r e c e n t
p e r i p l a s m i c s t r e s s
n o d e t e c t a b l e e f f e c t o n O M P a s s e m b l y ( 4 7 ) . I n w o r k h a s i d e n t i f i e d a p r o t e i n a c e o u s m a c h i n -
c o n d i t i o n s
c o n t r a s t , a p p i D n u l l m u t a t i o n l e d t o a n o v e r a l l e r y t h a t i s e s s e n t i a l f o r t h i s p r o c e s s .
r e d u c t i o n i n t h e l e v e l a n d f o l d i n g o f O M P s ,
a n d a c o m b i n a t i o n o f p p i D a n d s u r A m u t a t i o n s O m p 8 5 , a n e s s e n t i a l c o m p o n e n t o f t h e
w a s l e t h a l ( 1 9 ) , s u g g e s t i n g f u n c t i o n a l r e d u n - O M P a s s e m b l y m a c h i n e r y . R e c e n t l y , w e
d a n c y . H o w e v e r , P p i D i s a n c h o r e d i n t h e I M , ( 1 0 5 ) i d e n t i f i e d a f i r s t c o m p o n e n t r e q u i r e d
w h e r e a s O M P f o l d i n g i s p r e s u m a b l y i n i t i a t e d f o r O M P i n s e r t i o n , i . e . , a p r o t e i n d e s i g n a t e d
a f t e r t a r g e t i n g t o t h e O M , w i t h w h i c h , i n d e e d , O m p 8 5 i n N . m e n i n g i t i d i s . O m p 8 5 w a s f o u n d
a p r o p o r t i o n o f t h e S u r A m o l e c u l e s c o f r a c - t o b e e s s e n t i a l f o r t h e v i a b i l i t y o f t h e b a c t e r i a ,
t i o n a t e d ( 3 8 ) . L a t e r , i t w a s r e p o r t e d t h a t p p i D a n d h o m o l o g u e s o f t h e o m p 8 5 g e n e w e r e
m u t a n t s , l i k e p p i A a n d f k p A m u t a n t s a n d e v e n f o u n d i n a l l g r a m - n e g a t i v e b a c t e r i a f o r w h i c h
a p p i D p p i A f k p A t r i p l e m u t a n t , d i d n o t s h o w t h e g e n o m e s e q u e n c e w a s a v a i l a b l e ( 1 0 6 ) ,
d i f f e r e n t o v e r a l l O M P p a t t e r n s o r O M p e r - s u g g e s t i n g i t s i n v o l v e m e n t i n a n i m p o r t a n t
m e a b i l i t y c o m p a r e d w i t h t h e w i l d t y p e a n d p r o c e s s . M o r e o v e r , i n m a n y o f t h e s e g e n o m e s ,
t h a t a p p i D s u r A d o u b l e m u t a n t c o u l d b e c o n - i n c l u d i n g t h o s e o f N . m e n i n g i t i d i s a n d E . c o l i ,
s t r u c t e d , w h i c h h a d t h e s a m e p h e n o t y p e a s a t h e o m p 8 5 g e n e i s f l a n k e d b y t h e s k p g e n e ,
s u r A s i n g l e m u t a n t ( 4 4 ) . O v e r a l l , t h e r e i s l i t t l e w h i c h e n c o d e s t h e p e r i p l a s m i c c h a p e r o n e i n -
e v i d e n c e f o r a d i r e c t r o l e o f P p i A , P p i D , o r v o l v e d i n O M P b i o g e n e s i s , a n d r s e P ( f o r m a l l y
F k p A i n O M P b i o g e n e s i s . d e s i g n a t e d y a e L ) , w h i c h e n c o d e s a p r o t e a s e
O t h e r p r o t e i n s t h a t m a y p l a y a r o l e a t i n v o l v e d i n t h e ÃE - d e p e n d e n t s t r e s s r e s p o n s e
t h e p e r i p l a s m i c s t a g e o f O M P s a r e D s b A a n d o f E . c o l i t h a t i s i n d u c e d u p o n a c c u m u l a t i o n o f
D s b C , t w o e n z y m e s i n v o l v e d i n t h e f o r m a - u n f o l d e d O M P s i n t h e p e r i p l a s m ( s e e b e l o w ) .
t i o n a n d i s o m e r i z a t i o n , r e s p e c t i v e l y , o f d i s u l - A l l t h e s e f e a t u r e s a r e c o n s i s t e n t w i t h a v i t a l
f i d e b o n d s . D s b A c a t a l y z e d t h e f o r m a t i o n o f r o l e o f O m p 8 5 i n O M P a s s e m b l y . U p o n d e -
a d i s u l f i d e b o n d b e t w e e n t w o c y s t e i n e s e n g i - p l e t i o n o f O m p 8 5 i n a g e n e t i c a l l y e n g i n e e r e d
n e e r e d i n O M p o r i n P h o E a t p o s i t i o n s n o t s t r a i n , u n f o l d e d f o r m s o f a l l O M P s e x a m i n e d ,
a c c e s s i b l e f r o m t h e p e r i p l a s m o n c e t h e p o r i n i n c l u d i n g p o r i n s , a s i d e r o p h o r e r e c e p t o r , a n
i s i n s e r t e d i n t o t h e O M . T h i s o b s e r v a t i o n e n z y m e , a n d a s e c r e t i n i n v o l v e d i n t y p e I V
s h o w e d t h a t t h e d i s u l f i d e b o n d w a s f o r m e d p i l i a s s e m b l y , a c c u m u l a t e d a s a g g r e g a t e s i n
d u r i n g p e r i p l a s m i c t r a n s i t a n d t h a t a t l e a s t p a r - t h e p e r i p l a s m ( 1 0 5 , 1 0 6 ) . T h e r o l e o f O m p 8 5
t i a l f o l d i n g o c c u r s p r i o r t o O M i n s e r t i o n ( 3 0 ) . i n O M P a s s e m b l y w a s c o n f i r m e d i n E . c o l i ,
D e g P i s a p r o t e a s e t h a t d e g r a d e s u n f o l d e d o r i n w h i c h t h e c o r r e s p o n d i n g g e n e , d e s i g n a t e d
m i s f o l d e d p r o t e i n s i n t h e p e r i p l a s m b u t a l s o y a e T , w a s a l s o a n e s s e n t i a l g e n e . E i t h e r d e p l e -
h a s c h a p e r o n e a c t i v i t y , a s w a s s h o w n i n v i t r o t i o n o f O m p 8 5 o r g r o w t h o f a t e m p e r a t u r e -
o n t h e s o l u b l e s u b s t r a t e s M a l S a n d c i t r a t e s y n - s e n s i t i v e m u t a n t a t t h e r e s t r i c t i v e t e m p e r a t u r e
t h a s e ( 8 7 ) . A c o m b i n a t i o n o f s u r A a n d d e g P r e s u l t e d i n s e v e r e O M P a s s e m b l y d e f e c t s
m u t a t i o n s w a s s y n t h e t i c a l l y l e t h a l , s u g g e s t i n g ( 2 7 , 1 1 2 , 1 1 4 ) . E v e n m o r e i n t e r e s t i n g l y , a
1 9 4 B o s R o b e r t T o m m a s s e n
· ·
b y C N R S - m u l t i - s i t e o n 1 0 / 1 1 / 0 7 . F o r p e r s o n a l u s e o n l y .
A n n u . R e v . M i c r o b i o l . 2 0 0 7 . 6 1 : 1 9 1 - 2 1 4 . D o w n l o a d e d f r o m a r j o u r n a l s . a n n u a l r e v i e w s . o r g
A N R V 3 2 2 - M I 6 1 - 1 1 A R I 6 A u g u s t 2 0 0 7 1 6 : 5 9
h o m o l o g o f O m p 8 5 w a s e s s e n t i a l f o r t h e
t h e a b s e n c e o f t h e ÃE - d e p e n d e n t p e r i p l a s m i c
a s s e m b l y o f ²- b a r r e l p r o t e i n s i n t o t h e o u t e r
s t r e s s r e s p o n s e i n N . m e n i n g i t i d i s . I n E . c o l i ,
m e m b r a n e o f m i t o c h o n d r i a , a e u k a r y o t i c c e l l
t h i s s t r e s s r e s p o n s e i s i n d u c e d u p o n a c c u m u -
o r g a n e l l e o f e n d o s y m b i o n t o r i g i n ( 3 3 , 5 4 ,
l a t i o n o f u n f o l d e d O M P s i n t h e p e r i p l a s m ( f o r
6 9 ) . A p p a r e n t l y , t h e O M P a s s e m b l y p a t h w a y
a r e v i e w , s e e R e f e r e n c e 7 9 ) . S u c h O M P s a r e
i s h i g h l y c o n s e r v e d d u r i n g e v o l u t i o n .
s e n s e d b y t h e P D Z d o m a i n o f t h e m e m b r a n e -
A d i f f e r e n c e w a s o b s e r v e d w i t h r e s p e c t t o
b o u n d p r o t e a s e D e g S , u p o n w h i c h a p r o t e -
t h e f a t e o f O M P s i n O m p 8 5 - d e p l e t e d c e l l s
o l y t i c c a s c a d e i s i n i t i a t e d t h a t i n v o l v e s t h e
o f e i t h e r N . m e n i n g i t i d i s o r E . c o l i . W h e r e a s
p r o t e a s e d o m a i n o f D e g S a n d R s e P , r e s u l t -
u n f o l d e d O M P s a c c u m u l a t e d a s a g g r e g a t e s
i n g i n t h e c l e a v a g e o f t h e a n t i s i g m a f a c t o r
i n s u c h c e l l s o f N . m e n i n g i t i d i s ( 1 0 5 ) , O m p 8 5
R s e A a n d t h e r e l e a s e o f ÃE i n t h e c y t o p l a s m
d e p l e t i o n i n E . c o l i p r i m a r i l y l e d t o s e v e r e l y
( F i g u r e 2 ) . T h e r e l e a s e d ÃE t h e n b i n d s t h e
r e d u c e d a m o u n t s o f d e t e c t a b l e O M P s ( 1 1 2 ,
R N A p o l y m e r a s e c o r e e n z y m e , r e s u l t i n g i n
1 1 4 ) . T h e d i f f e r e n c e i s p r e s u m a b l y c a u s e d b y
t h e t r a n s c r i p t i o n o f t h e g e n e s f o r p e r i p l a s m i c
F i g u r e 2
O M
P e r i p l a s m i c s t r e s s
O M P
r e s p o n s e . U p o n
a c c u m u l a t i o n o f
S t r e s s
u n f o l d e d O M P s i n
C
t h e p e r i p l a s m , a
s t r e s s r e s p o n s e i s
i n i t i a t e d t h a t s t a r t s
P e r i p l a s m
w i t h t h e r e c o g n i t i o n
o f t h e C t e r m i n i o f
t h e O M P s b y t h e
P D Z d o m a i n o f t h e
p r o t e a s e D e g S . T h i s
r e c o g n i t i o n i n i t i a t e s
a p r o t e o l y t i c c a s c a d e ,
I M
r e s u l t i n g i n t h e
r e l e a s e o f t h e
a l t e r n a t i v e s i g m a
f a c t o r ÃE , w h i c h
b i n d s R N A
p o l y m e r a s e a n d l e a d s
ÃE
t o e n h a n c e d
ÃE
P e r i p l a s m i c
t r a n s c r i p t i o n o f
s t r e s s r e s p o n s e
g e n e s e n c o d i n g
R N A
p e r i p l a s m i c
p o l y m e r a s e
c h a p e r o n e s , s u c h a s
S k p a n d S u r A , a n d
t h e p r o t e a s e D e g P .
T h e ÃE r e s p o n s e a l s o
s k p
s R N A s
l e a d s t o p r o d u c t i o n
s u r A
o f s R N A s t h a t
d e g P n e g a t i v e l y r e g u l a t e
O M P s
O M P e x p r e s s i o n .
"
w w w . a n n u a l r e v i e w s . o r g O u t e r M e m b r a n e B i o g e n e s i s 1 9 5
P r o t e a s e
P D Z
R s e B
R s e B
P r o t e a s e
b y C N R S - m u l t i - s i t e o n 1 0 / 1 1 / 0 7 . F o r p e r s o n a l u s e o n l y .
R s e P
R s e P
R s e A
D e g S
D e g S
R s e A
A n n u . R e v . M i c r o b i o l . 2 0 0 7 . 6 1 : 1 9 1 - 2 1 4 . D o w n l o a d e d f r o m a r j o u r n a l s . a n n u a l r e v i e w s . o r g
P D Z
A N R V 3 2 2 - M I 6 1 - 1 1 A R I 6 A u g u s t 2 0 0 7 1 6 : 5 9
c h a p e r o n e s , s u c h a s S k p a n d S u r A , a n d f o r r e s i d e s i n t h e p e r i p l a s m b u t i s f i r m l y a s s o c i -
t h e p o t e n t p r o t e a s e D e g P . T o g e t h e r t h e s e a t e d w i t h m a n y d i f f e r e n t i n t e g r a l O M P s v i a
c h a p e r o n e s a n d p r o t e a s e r e l i e v e t h e p e r i p l a s - a n N - t e r m i n a l p e p t i d e ( 7 1 ) . R m p M p r o b a -
s R N A : s m a l l
m i c s t r e s s . M o r e o v e r , t h e ÃE r e s p o n s e r e s u l t s b l y a n c h o r s t h e O M t o t h e u n d e r l y i n g p e p -
r e g u l a t o r y R N A
i n t h e p r o d u c t i o n o f s m a l l r e g u l a t o r y R N A s t i d o g l y c a n l a y e r ( 8 8 ) , a n d i t h a s n o p a r t i c u l a r
( s R N A s ) i n E n t e r o b a c t e r i a c e a e t h a t p r e v e n t f u n c t i o n i n O M P b i o g e n e s i s . C r o s s - l i n k i n g
O M P e x p r e s s i o n a t t h e t r a n s l a t i o n a l l e v e l ( 3 1 , e x p e r i m e n t s r e v e a l e d t h a t t h e O m p 8 5 h o -
4 3 , 6 8 ) . T h u s , i n E . c o l i , m i s f o l d e d O M P s m o l o g o f E . c o l i f o r m s a c o m p l e x w i t h t h r e e
a r e r e s c u e d o r d e g r a d e d i n t h e p e r i p l a s m a n d l i p o p r o t e i n s , Y f g L , Y f i O , a n d N l p B ( 1 1 4 ) . A
O M P s y n t h e s i s i s i n h i b i t e d d u r i n g t h e s t r e s s s i m i l a r c o m p l e x w a s i d e n t i f i e d u p o n a p r o -
p e r i o d . A l t h o u g h c h a p e r o n e s s u c h a s S k p a n d t e o m i c a n a l y s i s o f O M P c o m p l e x e s r e s o l v e d
S u r A a r e p r e s e n t i n N . m e n i n g i t i d i s , m a n y e s - b y b l u e - n a t i v e P A G E ( 9 3 ) . C o p u r i f i c a t i o n e x -
s e n t i a l c o m p o n e n t s o f t h e s i g n a l t r a n s d u c t i o n p e r i m e n t s u s i n g s t r a i n s w i t h m u t a t i o n s i n t h e
p a t h w a y a r e l a c k i n g . W h e r e a s E . c o l i c o n t a i n s g e n e s f o r v a r i o u s c o m p o n e n t s o f t h e c o m p l e x
t h r e e g e n e s f o r t h e r e l a t e d p r o t e a s e s D e g P , i n d i c a t e d t h a t Y f g L a n d Y f i O d i r e c t l y i n t e r a c t
D e g S , a n d D e g Q ( 1 0 7 ) , o n l y a h o m o l o g u e o f w i t h O m p 8 5 , w h e r e a s N l p B i s a s s o c i a t e d w i t h
D e g Q c a n b e f o u n d i n N . m e n i n g i t i d i s ( e n - t h e c o m p l e x v i a Y f i O ( 5 8 ) .
c o d e d b y t h e N M B 0 5 3 2 l o c u s i n t h e N . m e n i n - T h e y f g L g e n e w a s o r i g i n a l l y i d e n t i f i e d
g i t i d i s s t r a i n M C 5 8 ) . M o r e o v e r , h o m o l o g u e s i n a s c r e e n f o r s u p p r e s s o r s t h a t r e s t o r e d t h e
o f R s e A a n d R s e B a p p e a r t o b e a b s e n t . A l - O M p e r m e a b i l i t y d e f e c t o f a p a r t i a l l o s s - o f -
t h o u g h t h e r e i s a n a l t e r n a t i v e à f a c t o r b e l o n g - f u n c t i o n m u t a t i o n i n t h e i m p g e n e ( 2 9 , 7 8 ) ,
i n g t o t h e E C F ( e x t r a c y t o p l a s m i c f a c t o r ) f a m - w h i c h e n c o d e s a n O M P i n v o l v e d i n L P S
i l y ( t o w h i c h ÃE a l s o b e l o n g s ) e n c o d e d o n t h e b i o g e n e s i s ( s e e b e l o w ) . A l t h o u g h y f g L i s n o t
m e n i n g o c o c c a l c h r o m o s o m e ( i . e . , N M B 2 1 4 4 a n e s s e n t i a l g e n e , n u l l m u t a t i o n s c r e a t e a n
i n s t r a i n M C 5 8 ) , i t s e e m s t o h a v e a n e n t i r e l y O M p e r m e a b i l i t y d e f e c t a n d r e s u l t i n r e d u c e d
d i f f e r e n t f u n c t i o n . I t s i n a c t i v a t i o n i n t h e r e - a m o u n t s o f O M P s ( 6 7 , 7 8 , 1 1 4 ) , c o n s i s t e n t
l a t e d b a c t e r i u m N e i s s e r i a g o n o r r h o e a e d i d n o t w i t h a r o l e i n O M P a s s e m b l y . R e m a r k a b l y , a l -
a f f e c t g l o b a l g e n e e x p r e s s i o n a s a n a l y z e d b y t h o u g h t h e y f g L g e n e i s w i d e l y d i s s e m i n a t e d
m i c r o a r r a y a n a l y s i s , w h e r e a s i t s o v e r e x p r e s - a m o n g g r a m - n e g a t i v e b a c t e r i a , w e c o u l d n o t
s i o n a f f e c t e d o n l y v e r y f e w g e n e s , i n c l u d i n g i d e n t i f y a h o m o l o g i n t h e s e q u e n c e d g e n o m e s
t h o s e f o r m e t h i o n i n e s u l f o x i d e r e d u c t a s e ( 3 5 ) . o f N . m e n i n g i t i d i s a n d N . g o n o r r h o e a e .
T h u s , t h e ÃE - d e p e n d e n t p e r i p l a s m i c s t r e s s r e - T h e y f i O g e n e i s e s s e n t i a l i n E . c o l i ( 6 7 ) ,
s p o n s e a p p e a r s t o b e a b s e n t i n t h e p a t h o g e n i c b u t a m u t a n t w i t h a t r a n s p o s o n i n s e r t i o n n e a r
N e i s s e r i a c e a e . A s a r e s u l t , w h e n t h e r e i s a n t h e 3 e n d o f t h e g e n e w a s v i a b l e ( 1 1 4 ) . T h i s
O M P a s s e m b l y d e f e c t , O M P s w i l l c o n t i n u e t o m u t a n t s h o w e d i n c r e a s e d O M p e r m e a b i l i t y
b e s y n t h e s i z e d a n d t h e y w i l l a c c u m u l a t e i n t h e a n d r e d u c e d a m o u n t s o f O M P s , a n d a y f i O
p e r i p l a s m , w h e r e t h e y w i l l f o r m a g g r e g a t e s . d e p l e t i o n s t r a i n s h o w e d a p h e n o t y p e s i m i l a r
t o t h a t o f t h e y a e T / o m p 8 5 d e p l e t i o n s t r a i n o f
O m p 8 5 i s p a r t o f a m u l t i s u b u n i t c o m p l e x . E . c o l i ( 5 8 ) . I n N . g o n o r r h o e a e , a t r a n s p o s o n
S o d i u m d o d e c y l s u l f a t e p o l y a c r y l a m i d e g e l i n s e r t i o n i n t h e m i d d l e o f t h e y f i O h o m o l o g
e l e c t r o p h o r e s i s ( P A G E ) a n a l y s i s u n d e r n o n - w a s d e s c r i b e d ( 3 2 ) . T h i s m u t a n t w a s v i a b l e ,
d e n a t u r i n g c o n d i t i o n s r e v e a l e d t h a t O m p 8 5 s h o w e d a r e d u c e d c e l l s i z e , a n d w a s t r a n s f o r -
o f N . m e n i n g i t i d i s i s p r e s e n t i n a h i g h - m a t i o n d e f i c i e n t ; t h e r e f o r e , t h e g e n e w a s d e s -
m o l e c u l a r - w e i g h t c o m p l e x ( 1 0 5 ) . T h e o n l y i g n a t e d c o m L . H o w e v e r , a t t e m p t s t o i n t r o d u c e
o t h e r p r o t e i n i d e n t i f i e d i n t h i s c o m p l e x w a s o t h e r c o m L t r u n c a t i o n s i n t o t h e c h r o m o s o m e
t h e R m p M p r o t e i n ( J . G e u r t s e n , R . V o u l h o u x f a i l e d ( 3 2 ) , a n d w e h a v e n o t y e t s u c c e e d e d
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