Protein secretion is a common property of pathogenic microbes. Gram-negative bacterial pathogens use at least 6 distinct extracellular protein secretion systems to export proteins through their multilayered cell envelope and in some cases into host cells. Among the most widespread is the newly recognized Type VI secretion system (T6SS) which is composed of 15-20 proteins whose biochemical functions are not well understood. Using crystallographic, biochemical, and bioinformatic analyses, we identified 3 T6SS components, which are homologous to bacteriophage tail proteins. These include the tail tube protein; the membrane-penetrating needle, situated at the distal end of the tube; and another protein associated with the needle and tube. We propose that T6SS is a multicomponent structure whose extracellular part resembles both structurally and functionally a bacteriophage tail, an efficient machine that translocates proteins and DNA across lipid membranes into cells.

Motors generating mechanical force, powered by the hydrolysis of ATP, translocate double-stranded DNA into preformed capsids (proheads) of bacterial viruses and certain animal viruses. Here we describe the motor that packages the double-stranded DNA of the Bacillus subtilis bacteriophage phi29 into a precursor capsid. We determined the structure of the head-tail connector--the central component of the phi29 DNA packaging motor--to 3.2 A resolution by means of X-ray crystallography. We then fitted the connector into the electron densities of the prohead and of the partially packaged prohead as determined using cryo-electron microscopy and image reconstruction analysis. Our results suggest that the prohead plus dodecameric connector, prohead RNA, viral ATPase and DNA comprise a rotary motor with the head-prohead RNA-ATPase complex acting as a stator, the DNA acting as a spindle, and the connector as a ball-race. The helical nature of the DNA converts the rotary action of the connector into translation of the DNA.

The bacterial type VI secretion system (T6SS) is a large multicomponent, dynamic macromolecular machine that has an important role in the ecology of many Gram-negative bacteria. T6SS is responsible for translocation of a wide range of toxic effector molecules, allowing predatory cells to kill both prokaryotic as well as eukaryotic prey cells. The T6SS organelle is functionally analogous to contractile tails of bacteriophages and is thought to attack cells by initially penetrating them with a trimeric protein complex called the VgrG spike. Neither the exact protein composition of the T6SS organelle nor the mechanisms of effector selection and delivery are known. Here we report that proteins from the PAAR (proline-alanine-alanine-arginine) repeat superfamily form a sharp conical extension on the VgrG spike, which is further involved in attaching effector domains to the spike. The crystal structures of two PAAR-repeat proteins bound to VgrG-like partners show that these proteins sharpen the tip of the T6SS spike complex. We demonstrate that PAAR proteins are essential for T6SS-mediated secretion and target cell killing by Vibrio cholerae and Acinetobacter baylyi. Our results indicate a new model of the T6SS organelle in which the VgrG-PAAR spike complex is decorated with multiple effectors that are delivered simultaneously into target cells in a single contraction-driven translocation event.

Abstract This report describes the structure of a putative tail fiber protein of the Acinetobacter baumannii bacteriophage AP22. The target host range of strictly lytic bacteriophage AP22 includes many clinical isolates of A. baumannii from hospitals in Chelyabinsk, Nizhny Novgorod, Moscow and St. Petersburg (Russia), but its host cell binding apparatus remains uncharacterized. Here, we report the crystal structure of the C-terminal fragment of AP22 gene product 53 (gp53) one of its two putative host cell-binding proteins. We show that gp53 forms a trimeric fiber and binds ethylene glycol and glycerol molecules that represent known surrogates of the oligosaccharide backbone. However, despite its structural similarities to other phage/virus host cell-binding fibers and its binding to small sugar-like molecules, gp53 did not inhibit AP22 infection and its role in the infection process remains unclear.

Abstract The contractile tail of bacteriophage P2 functions to drive the tail tube across the outer membrane of its host bacterium, a prerequisite event for subsequent translocation of phage genomic DNA into the host cell. The tube is equipped with a spike-shaped protein (product of P2 gene V , gpV or Spike) that contains a membrane-attacking Apex domain carrying a centrally positioned Fe ion. The ion is enclosed in a histidine cage that is formed by three symmetry-related copies of a conserved HxH (histidine, any residue, histidine) sequence motif. Here, we used solution biophysics and X-ray crystallography to characterize the structure and properties of Spike mutants in which the Apex domain was either deleted or its histidine cage was either destroyed or replaced with a hydrophobic core. We found that the Apex domain is not required for the folding of full-length gpV or its middle intertwined β-helical domain. Furthermore, despite its high conservation, the Apex domain is dispensable for infection in laboratory conditions. Collectively, our results show that the diameter of the Spike but not the nature of its Apex domain determines the efficiency of infection, which further strengthens the earlier hypothesis of a drill bit-like function of the Spike in host envelope disruption.

Abstract Endolysins are bacteriophage-encoded peptidoglycan hydrolases targeting the cell wall of host bacteria via their cell wall-binding domains (CBDs). The molecular basis for selective recognition of surface carbohydrate ligands by CBDs remains elusive. Here, we describe, in atomic detail, the interaction between the Listeria phage endolysin domain CBD500 and its cell wall teichoic acid (WTA) ligands. We show that 3’ O -acetylated GlcNAc residues integrated into the WTA polymer chain are the key epitope recognized by a CBD binding cavity located at the interface of tandem copies of beta -barrel, pseudo-symmetric SH3b-like repeats. This cavity consists of multiple aromatic residues making extensive interactions with two GlcNAc acetyl groups via hydrogen bonds and van der Waals contacts, while permitting the docking of the diastereomorphic ligands. The multidisciplinary approach described here delineates a previously unknown recognition mechanism by which a phage endolysin specifically recognizes and targets WTA, suggesting an adaptable model for regulation of endolysin specificity.

Abstract Cryo-EM has made extraordinary headway towards becoming a semi-automated, high-throughput structure determination technique. In the general workflow, high-to-medium population states are grouped into two- and three-dimensional classes, from which structures can be obtained with near-atomic resolution and subsequently analyzed to interpret function. However, low population states, which are also functionally important, are often discarded. Here, we describe a technique whereby low population states can be efficiently identified with minimal human effort via a deep convolutional neural network classifier. We use this deep learning classifier to describe a transient, low population state of bacteriophage A511 in the midst of infecting its bacterial host. This method can be used to further automate data collection and identify other functionally important low population states.

Abstract Bacteria use the type VI secretion system (T6SS) to secrete a variety of toxins into pro- and eukaryotic cells via a machinery consisting of a contractile sheath and a rigid tube. Rearrangement hotspot (Rhs) proteins represent one of the most common T6SS-secreted effectors. The C-terminal toxin domain of Rhs proteins displays great functional diversity, while the large Rhs core is characterised by YD repeats. T6SS- associated Rhs proteins are attached to the VgrG spike protein, often via an N- terminal PAAR-repeat domain. Using X-ray crystallography, we here elucidate the Rhs core structures of PAAR- and VgrG-linked Rhs proteins from Salmonella bongori and Advenella mimigardefordensis , respectively. The Rhs core forms a large container made up of β-sheets that has a negatively charged interior and encloses a large volume. The presence of the toxin domain of S. bongori PAAR-linked Rhs does not lead to ordered density in the Rhs container, suggesting the toxin domain is at least partially unfolded. Together with bioinformatics analysis showing that Rhs toxins predominantly act intracellularly, this suggests that the Rhs core domain functions two-fold, as safety feature for the producer cell and as delivery mechanism for the toxin domain. Our results strengthen our knowledge of Rhs structure and function.