Abstract Bacterial flagella self-assemble a strong, multi-component drive shaft that couples rotation in the inner membrane to the microns-long flagellar filament that powers bacterial swimming in viscous fluids. We here present structures of the intact Salmonella flagellar basal body, solved using cryo-electron microscopy to resolutions between 2.2 and 3.7 Å. The structures reveal molecular details of how 173 protein molecules of 13 different types assemble into a complex spanning two membranes and a cell wall. The helical drive shaft at one end is intricately interwoven with the inner membrane rotor component, and at the other end passes through a molecular bearing that is anchored in the outer membrane via interactions with the lipopolysaccharide. The in situ structure of a protein complex capping the drive shaft provides molecular insight into the assembly process of this molecular machine.

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.

ABSTRACT FliA is a broadly conserved σ factor that directs transcription of genes involved in flagellar motility. We previously identified FliA-transcribed genes in Escherichia coli and Salmonella enterica serovar Typhimurium, and we showed that E. coli FliA transcribes many unstable, non-coding RNAs from intragenic promoters. Here, we show that FliA in S . Typhimurium also directs transcription of large numbers of unstable, non-coding RNAs from intragenic promoters, and we identify two previously unreported FliA-transcribed protein-coding genes. One of these genes, sdiA , encodes a transcription factor that responds to quorum sensing signals produced by other bacteria. We show that FliA-dependent transcription of sdiA is required for SdiA activity, highlighting a regulatory link between flagellar motility and intercellular communication. IMPORTANCE Initiation of bacterial transcription requires association of a σ factor with the core RNA polymerase to facilitate sequence-specific recognition of promoter elements. FliA is a widely conserved σ factor that directs transcription of genes involved in flagellar motility. We previously showed that Escherichia coli FliA transcribes many unstable, non-coding RNAs from promoters within genes. Here, we demonstrate the same phenomenon in Salmonella Typhimurium. We also show that S . Typhimurium FliA directs transcription of the sdiA gene, which encodes a transcription factor that responds to quorum sensing signals produced by other bacteria. FliA-dependent transcription of sdiA is required for transcriptional control of SdiA target genes, highlighting a regulatory link between flagellar motility and intercellular communication.

The flagellum is the motility device of many bacteria and the long external filament is made of several thousand copies of a single protein, flagellin. While posttranslational modifications of flagellin are common among bacterial pathogens, the role of lysine methylation remained unknown. Here, we show that both flagellins of Salmonella enterica , FliC and FljB, are methylated at surface-exposed lysine residues. A Salmonella mutant deficient in flagellin methylation was outcompeted for gut colonization in a gastroenteritis mouse model. In support, methylation of flagellin promoted invasion of epithelial cells in vitro. Lysine methylation increased the surface hydrophobicity of flagellin and enhanced flagella-dependent adhesion of Salmonella to phosphatidylcholine vesicles and epithelial cells. In summary, posttranslational flagellin methylation constitutes a novel mechanism how flagellated bacteria facilitate adhesion to hydrophobic host cell surfaces and thereby contributes to efficient gut colonization and successful infection of the host.