Two-component systems that link environmental signals to cellular responses are viewed as the primary mode of signal transduction in prokaryotes. By analyzing information encoded by 145 prokaryotic genomes, we found that the majority of signal transduction systems consist of a single protein that contains input and output domains but lacks phosphotransfer domains typical of two-component systems. One-component systems are evolutionarily older, more widely distributed among bacteria and archaea, and display a greater diversity of domains than two-component systems. Two-component systems that link environmental signals to cellular responses are viewed as the primary mode of signal transduction in prokaryotes. By analyzing information encoded by 145 prokaryotic genomes, we found that the majority of signal transduction systems consist of a single protein that contains input and output domains but lacks phosphotransfer domains typical of two-component systems. One-component systems are evolutionarily older, more widely distributed among bacteria and archaea, and display a greater diversity of domains than two-component systems.

The bacterial chemotaxis system evolved from simpler regulatory proteins that primarily control transcription.

Burkholderia xenovorans LB400 (LB400), a well studied, effective polychlorinated biphenyl-degrader, has one of the two largest known bacterial genomes and is the first nonpathogenic Burkholderia isolate sequenced. From an evolutionary perspective, we find significant differences in functional specialization between the three replicons of LB400, as well as a more relaxed selective pressure for genes located on the two smaller vs. the largest replicon. High genomic plasticity, diversity, and specialization within the Burkholderia genus are exemplified by the conservation of only 44% of the genes between LB400 and Burkholderia cepacia complex strain 383. Even among four B. xenovorans strains, genome size varies from 7.4 to 9.73 Mbp. The latter is largely explained by our findings that >20% of the LB400 sequence was recently acquired by means of lateral gene transfer. Although a range of genetic factors associated with in vivo survival and intercellular interactions are present, these genetic factors are likely related to niche breadth rather than determinants of pathogenicity. The presence of at least eleven “central aromatic” and twenty “peripheral aromatic” pathways in LB400, among the highest in any sequenced bacterial genome, supports this hypothesis. Finally, in addition to the experimentally observed redundancy in benzoate degradation and formaldehyde oxidation pathways, the fact that 17.6% of proteins have a better LB400 paralog than an ortholog in a different genome highlights the importance of gene duplication and repeated acquirement, which, coupled with their divergence, raises questions regarding the role of paralogs and potential functional redundancies in large-genome microbes.

Chemoreceptors are key components of the high-performance signal transduction system that controls bacterial chemotaxis. Chemoreceptors are typically localized in a cluster at the cell pole, where interactions among the receptors in the cluster are thought to contribute to the high sensitivity, wide dynamic range, and precise adaptation of the signaling system. Previous structural and genomic studies have produced conflicting models, however, for the arrangement of the chemoreceptors in the clusters. Using whole-cell electron cryo-tomography, here we show that chemoreceptors of different classes and in many different species representing several major bacterial phyla are all arranged into a highly conserved, 12-nm hexagonal array consistent with the proposed “trimer of dimers” organization. The various observed lengths of the receptors confirm current models for the methylation, flexible bundle, signaling, and linker sub-domains in vivo. Our results suggest that the basic mechanism and function of receptor clustering is universal among bacterial species and was thus conserved during evolution.

Abstract The bacterial cell envelope is an essential structure that protects the cell from environmental threats, while simultaneously serving as communication interface and diffusion barrier. Therefore, maintaining cell envelope integrity is of vital importance for all microorganisms. Not surprisingly, evolution has shaped conserved protection networks that connect stress perception, transmembrane signal transduction and mediation of cellular responses upon cell envelope stress. The phage shock protein (PSP) stress response is one of such conserved protection networks. Most of the knowledge about the Psp response comes from studies in the Gram-negative model bacterium, Escherichia coli where the Psp system consists of several well-defined protein components. Homologous systems were identified in representatives of Proteobacteria, Actinobacteria, and Firmicutes; however, the Psp system distribution in the microbial world remains largely unknown. By carrying out a large-scale, unbiased comparative genomics analysis, we found components of the Psp system in many bacterial and archaeal phyla and demonstrated that the PSP system deviates dramatically from the proteobacterial prototype. Two of its core proteins, PspA and PspC, have been integrated in various (often phylum-specifically) conserved protein networks during evolution. Based on protein sequence and gene neighborhood analyses of pspA and pspC homologs, we built a natural classification system of PSP networks in bacteria and archaea. We performed a comprehensive in vivo protein interaction screen for the PSP network newly identified in the Gram-positive model organism Bacillus subtilis and found a strong interconnected PSP response system, illustrating the validity of our approach. Our study highlights the diversity of PSP organization and function across many bacterial and archaeal phyla and will serve as foundation for future studies of this envelope stress response beyond model organisms.

Abstract Purines and their derivatives are key molecules for controlling intracellular energy homeostasis and nucleotide synthesis. In eukaryotes, including humans, purines also act as signaling molecules that mediate extracellular communication and control key cellular processes, such as proliferation, migration, differentiation, and apoptosis. However, the signaling role of purines in bacteria is largely unknown. Here, by combining structural and sequence information, we define a purine-binding motif, which is present in sensor domains of thousands of bacterial receptors that modulate motility, gene expression, metabolism and second messenger turnover. The screening of compound libraries and microcalorimetric titrations of selected sensor domains validated their ability to specifically bind purine derivatives. The physiological relevance of purine sensing was demonstrated in a second messenger signaling system that modulates c-di-GMP levels.

Abstract Signal perception is a key function in regulating biological activities and adapting to changing environments. PAS domains are ubiquitous sensors found in diverse receptors in bacteria, archaea, and eukaryotes, but their origins, distribution across the tree of life, and extent of their functional diversity remain unknown. Here, we show that using sequence conservation and structural information it is possible to propose specific and potential functions for a large portion of nearly 3 million PAS domains. Our analysis suggests that PAS domains originated in bacteria and were horizontally transferred to archaea and eukaryotes. We reveal that gas sensing via a heme cofactor evolved independently in several lineages, whereas redox and light sensing via FAD and FMN cofactors have the same origin. The close relatedness of human PAS domains to those in bacteria provides an opportunity for drug design by exploring potential natural ligands and cofactors for bacterial homologs. Teaser Signaling domains that originated in bacteria hold a potential as drug targets in humans.

Abstract Purines and their derivatives control intracellular energy homeostasis and nucleotide synthesis, and act as signaling molecules. Here, we combine structural and sequence information to define a purine-binding motif that is present in sensor domains of thousands of bacterial receptors that modulate motility, gene expression, metabolism, and second-messenger turnover. Microcalorimetric titrations of selected sensor domains validate their ability to specifically bind purine derivatives, and evolutionary analyses indicate that purine sensors share a common ancestor with amino-acid receptors. Furthermore, we provide experimental evidence of physiological relevance of purine sensing in a second-messenger signaling system that modulates c-di-GMP levels.

Abstract The bacterial flagellum is an organelle utilized by many Gram-negative bacteria to facilitate motility. The flagellum is composed of a several µm long, extracellular filament that is connected to a cytoplasmic rotor-stator complex via a periplasmic rod. Composed of ∼20 structural proteins, ranging from a few subunits to several thousand building blocks, the flagellum is a paradigm of a complex macromolecular structure that utilizes a highly regulated assembly process. This process is governed by multiple checkpoints that ensure an ordered gene expression pattern coupled to the assembly of the various flagellar building blocks in order to produce a functional flagellum. Using epifluorescence, super-resolution STED and transmission electron microscopy, we discovered that in Salmonella , the absence of one periplasmic protein, FlhE, prevents proper flagellar morphogenesis and results in the formation of periplasmic flagella. The periplasmic flagella disrupt cell wall synthesis, leading to a loss of the standard cell morphology resulting in cell lysis. We propose a model where FlhE functions as a periplasmic chaperone to control assembly of the periplasmic rod to prevent formation of periplasmic flagella. Our results highlight that bacteria evolved sophisticated regulatory mechanisms to control proper flagellar assembly and minor deviations from this highly regulated process can cause dramatic physiological consequences.