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.

Bacterial adhesion is a fundamental process which enables colonisation of niche environments and is key for infection. However, in Legionella pneumophila, the causative agent of Legionnaires9 disease, these processes are not well understood. The Legionella collagen-like protein (Lcl) is an extracellular peripheral membrane protein that recognises sulphated glycosaminoglycans (GAGs) on the surface of eukaryotic cells, but also stimulates bacterial aggregation in response to divalent cations. Here we report the crystal structure of the Lcl C-terminal domain (Lcl-CTD) and present a model for intact Lcl. Our data reveal that Lcl-CTD forms an unusual dynamic trimer arrangement with a positively charged external surface and a negatively charged solvent exposed internal cavity. Through Molecular Dynamics (MD) simulations, we show how the GAG chondroitin-4-sulphate associates with the Lcl-CTD surface via unique binding modes. Our findings show that Lcl homologs are present across both the Pseudomonadota and Fibrobacterota-Chlorobiota-Bacteroidota phyla and suggest that Lcl may represent a versatile carbohydrate binding mechanism.

Bacterial adhesion is a fundamental process which enables colonisation of niche environments and is key for infection. However, in Legionella pneumophila, the causative agent of Legionnaires' disease, these processes are not well understood. The Legionella collagen-like protein (Lcl) is an extracellular peripheral membrane protein that recognises sulphated glycosaminoglycans on the surface of eukaryotic cells, but also stimulates bacterial aggregation in response to divalent cations. Here we report the crystal structure of the Lcl C-terminal domain (Lcl-CTD) and present a model for intact Lcl. Our data reveal that Lcl-CTD forms an unusual trimer arrangement with a positively charged external surface and negatively charged solvent exposed internal cavity. Through molecular dynamics simulations, we show how the glycosaminoglycan chondroitin-4-sulphate associates with the Lcl-CTD surface via distinct binding modes. Our findings show that Lcl homologs are present across both the Pseudomonadota and Fibrobacterota-Chlorobiota-Bacteroidota phyla and suggest that Lcl may represent a versatile carbohydrate-binding mechanism.