Legionella pneumophila , the causative agent of Legionnaires' pneumonia, replicates within alveolar macrophages by preventing phagosome-lysosome fusion. Here, a large number of mutants called dot (defective for organelle trafficking) that were unable to replicate intracellularly because of an inability of the bacteria to alter the endocytic pathway of macrophages were isolated. The dot virulence genes encoded a large putative membrane complex that functioned as a secretion system that was able to transfer plasmid DNA from one cell to another.

The yeast KAR2 gene was isolated by complementation of a mutation that blocks nuclear fusion. The predicted KAR2 protein sequence is most homologous to mammalian BiP/GRP78 and has several structural features in common with it: a functional secretory signal sequence, a yeast endoplasmic reticulum retention signal (HDEL) at the carboxyl terminus, and the absence of potential N-linked glycosylation sites. Moreover KAR2 is regulated like BiP/GRP78: the level of mRNA is increased by drug treatments and mutations that cause accumulation of secretory precursors in the endoplasmic reticulum. However, unlike BiP/GRP78, KAR2 is also regulated by heat shock. Deletion of the KAR2 gene generated a recessive lethal mutation, showing that BiP/GRP78 function is required for cell viability.

BiP/GRP78 is an essential member of the HSP70 family that resides in the lumen of the endoplasmic reticulum. In yeast, BiP/GRP78 is encoded by the KAR2 gene. A temperature sensitive mutation was isolated in KAR2 and found to cause a rapid block in protein secretion. Secretory precursors of a number of proteins (invertase, carboxypeptidase Y, alpha-factor, and BiP) accumulated that were characteristic of a block in translocation into the lumen of the ER. Protease protection experiments confirmed that the precursors accumulated on the cytoplasmic side of the ER membrane. Moreover, depletion of wild-type KAR2 protein also resulted in a block in translocation of secretory proteins. These results implicate BiP/GRP78 function in the continued translocation of proteins into the lumen of the ER.

The ras oncogene products require membrane localization for their function, and this is thought to be accomplished by the addition of a palmitoyl group to a cysteine residue near the carboxyl terminus of the nascent chain. A lipidated carboxyl-terminal cysteine residue is also found in sequence-related yeast sex factors, and in at least two cases, the alpha-carboxyl group is also methyl esterified. To determine if ras proteins are themselves modified by a similar type of methylation reaction, we incubated rat embryo fibroblasts transformed with p53 and activated Ha-ras oncogenes with L-[methyl-3H]methionine under conditions in which the isotope was converted to the methyl donor S-adenosyl-L-[methyl-3H]methionine. By using an assay that detects methyl ester linkages, we found that immunoprecipitated ras proteins are in fact esterified and that the stability of these esters is consistent with a carboxyl-terminal localization. This methylation reaction may be important in regulating the interaction of ras proteins with plasma membrane components. The presence of analogous carboxyl-terminal tetrapeptide sequences in other proteins may provide a general recognition sequence for lipidation and methylation modification reactions.

Secretory proteins are segregated from cytosolic proteins by their translocation into the endoplasmic reticulum (ER). A modified secretory protein trapped during translocation across the ER membrane can be cross-linked to two previously identified proteins, Sec61p and BiP (Kar2p). The dependence of this cross-linking upon proteins and small molecules was examined. Mutations in SEC62 and SEC63 decrease the ability of Sec61p to be cross-linked to the secretory polypeptide trapped in translocation. ATP is also required for interaction of Sec61p with the secretory protein. Three kar2 alleles display defective translocation in vitro. Two of these alleles also decrease the ability of Sec61p to be cross-linked to the secretory protein. The third allele, while exhibiting a severe translocation defect, does not affect the interaction of Sec61p with the secretory protein. These results suggest that Sec61p is directly involved in translocation and that BiP acts at two stages of the translocation cycle.

Abstract The type II secretion system (T2SS) is a multi-protein envelope-spanning assembly that translocates a wide range of virulence factors, enzymes and effectors through the outer membrane (OM) of many Gram-negative bacteria. Here, using electron cryotomography and subtomogram averaging methods, we present the first in situ structure of an intact T2SS, imaged within the human pathogen Legionella pneumophila. Although the T2SS has only limited sequence and component homology with the evolutionarily-related Type IV pilus (T4P) system, we show that their overall architectures are remarkably similar. Despite similarities, there are also differences, including for instance that the T2SS-ATPase complex is usually present but disengaged from the inner membrane, the T2SS has a much longer periplasmic vestibule, and it has a short-lived flexible pseudopilus. Placing atomic models of the components into our ECT map produced a complete architectural model of the intact T2SS that provides new insights into the structure and function of its components, its position within the cell envelope, and the interactions between its different subcomplexes. Overall, these structural results strongly support the piston model for substrate extrusion.

Type IV secretion systems (T4SSs) are large macromolecular machines that translocate protein and DNA and are involved in the pathogenesis of multiple human diseases. Here, using electron cryotomography (ECT), we report the in situ structure of the Dot/Icm type IVB secretion system (T4BSS) utilized by the human pathogen Legionella pneumophila. This is the first structure of a type IVB secretion system, and also the first structure of any T4SS in situ. While the Dot/Icm system shares almost no sequence homology with type IVA secretion systems (T4ASSs), its overall structure shows remarkable similarities to two previously imaged T4ASSs, suggesting shared aspects of mechanism. However, compared to one of these, the negative-stain reconstruction of the purified T4ASS from the R388 plasmid, it is approximately twice as long and wide and exhibits several additional large densities, reflecting type-specific elaborations and potentially better structural preservation in situ.

Legionella pneumophila survives and replicates inside host cells by secreting ~300 effectors through the Dot/Icm type IVB secretion system (T4BSS). Understanding this machine's structure is challenging because of its large number of components (27) and integration into all layers of the cell envelope. Previously we overcame this obstacle by imaging the Dot/Icm T4BSS in its native state within intact cells through electron cryotomography. Here we extend our observations by imaging a stabilized mutant that yielded a higher resolution map. We describe for the first time the presence of a well-ordered central channel that opens up into a windowed large (~32 nm wide) secretion chamber with an unusual 13-fold symmetry. We then dissect the complex by matching proteins to densities for many components, including all those with periplasmic domains. The placement of known and predicted structures of individual proteins into the map reveals the architecture of the T4BSS and provides a roadmap for further investigation of this amazing specialized secretion system.

Posttranslational protein modification by ubiquitin (Ub) is a central eukaryotic mechanism that regulates a plethora of physiological processes. Recent studies unveiled an unconventional type of ubiquitination mediated by the SidE family of Legionella pneumophila effectors, such as SdeA, that catalyzes the conjugation of Ub to a serine residue of target proteins via a phosphoribosyl linker (hence named PR-ubiquitination). Comparable to the deubiquitinases (DUBs) in the canonical ubiquitination pathway, here we show that two Legionella effectors, named DupA (deubiquitinase for PR-ubiquitination) and DupB, reverse PR-ubiquitination by specific removal of phosphoribosyl-Ub (PR-Ub) from substrates. Both DupA and DupB are fully capable of rescuing the Golgi fragmentation phenotype caused by exogenous expression of SdeA in mammalian cells. We further show that deletion of these two genes results in significant accumulation of PR-ubiquitinated species in host cells infected with Legionella. In addition, we have identified a list of specific PR-ubiquitinated host targets and show that DupA and DupB play a role in modulating the association of PR-ubiquitinated host targets with Legionella containing vacuoles (LCV). Together, our data establish a complete PR-ubiquitination and deubiquitination cycle and demonstrate the intricate control that Legionella has over this unusual Ub-dependent posttranslational modification.

Abstract The Legionella pneumophila Dot/Icm type IV secretion system (T4SS) delivers effector proteins into host cells during infection. Despite its significance as a potential drug target, our current understanding of its atomic structure is limited to isolated subcomplexes. In this study, we used subtomogram averaging and integrative modeling to construct a nearly-complete model of the Dot/Icm T4SS accounting for seventeen protein components. We locate and provide insights into the structure and function of six new components including DotI, DotJ, DotU, IcmF, IcmT, and IcmX. We find that the cytosolic N-terminal domain of IcmF, a key protein forming a central hollow cylinder, interacts with DotU, providing insight into previously uncharacterized density. Furthermore, our model, in combination with analyses of compositional heterogeneity, explains how the cytoplasmic ATPase DotO is connected to the periplasmic complex via interactions with membrane-bound DotI/DotJ proteins. Coupled with in situ infection data, our model offers new insights into the T4SS-mediated secretion mechanism.