ABSTRACT Pseudomonas aeruginosa CtpA is a carboxyl terminal-processing protease that partners with the outer membrane lipoprotein LbcA to degrade at least five cell wall-associated proteins, four of which are cell wall hydrolases. This activity plays an important role in supporting P. aeruginosa virulence in a mouse model of acute pneumonia. However, almost nothing is known about the molecular mechanisms underlying CtpA and LbcA function. Here, we used structural analysis to show that CtpA alone assembles into an inactive hexamer comprising a trimer of dimers, which limits its substrate access and prevents nonspecific degradation. The adaptor protein LbcA is a right-handed open spiral with 11 tetratricopeptide repeats, which might wrap around a substrate to deliver it to CtpA for degradation. By structure-guided mutagenesis and functional assays, we also showed that the interfaces of the CtpA trimer-of-dimers, and an N-terminal helix of LbcA, are important for LbcA-mediated substrate degradation by CtpA both in vitro and in vivo . This work improves our understanding of the molecular mechanism of a CTP within the C-terminal processing peptidase-3 group. IMPORTANCE Carboxyl-terminal processing proteases (CTPs) are found in all three domains of life. In bacteria, some CTPs have been associated with virulence, raising the possibility that they could be theraputic targets. However, relatively little is known about their molecular mechanisms of action. In Pseudomonas aeruginosa , CtpA supports virulence by working in complex with the outer membrane lipoprotein LbcA to degrade cell wall hydrolases. Here, we report structure-function analyses of CtpA and LbcA, which reveals that CtpA assembles into an inactive hexamer comprising a trimer of dimers. LbcA is monomeric, with an N-terminal region important for binding to and activating CtpA, followed by a spiral structure composed of 11 tetratricopetide repeats, which could wrap around a substrate for delivery to CtpA. This work provides the first structure of a CTP-3 group member, revealing a unique mutimeric arrangement and insight into how this important proteolytic system functions.

ABSTRACT The Pseudomonas aeruginosa lipoprotein LbcA was discovered because it copurified with and promoted the activity of CtpA, a carboxyl-terminal processing protease (CTP) required for type III secretion system function, and for virulence in a mouse model of acute pneumonia. In this study we explored the role of LbcA by determining its effect on the proteome and its participation in protein complexes. lbcA and ctpA null mutations had strikingly similar effects on the proteome, suggesting that facilitating CtpA might be the most impactful role of LbcA in the bacterial cell. Independent complexes containing LbcA and CtpA, or LbcA and substrate, were isolated from P. aeruginosa cells, indicating that LbcA facilitates proteolysis by recruiting the protease and its substrates independently. An unbiased examination of proteins that copurified with LbcA revealed an enrichment for proteins associated with the cell wall. One of these copurification partners was found to be a new CtpA substrate, and the first substrate that is not a peptidoglycan hydrolase. Many of the other LbcA copurification partners are known or predicted peptidoglycan hydrolases. However, some of these LbcA copurification partners were not cleaved by CtpA, and an in vitro assay revealed that while CtpA and all of its substrates bound to LbcA directly, these non-substrates did not. Subsequent experiments suggested that the non substrates might co-purify with LbcA by participating in multi-enzyme complexes containing LbcA-binding CtpA substrates. IMPORTANCE Carboxyl-terminal processing proteases (CTPs) are widely conserved and associated with the virulence of several bacteria, including CtpA in Pseudomonas aeruginosa . CtpA copurifies with the uncharacterized lipoprotein, LbcA. This study shows that the most impactful role of LbcA might be to promote CtpA-dependent proteolysis, and that it achieves this as a scaffold for CtpA and its substrates. It also reveals that LbcA copurification partners are enriched for cell wall-associated proteins, one of which is a novel CtpA substrate. Some of the other LbcA copurification partners are not cleaved by CtpA, but might copurify with LbcA because they participate in multi-enzyme complexes containing CtpA substrates. These findings are important, given the links between CTPs, their associated proteins, peptidoglycan remodeling, and virulence.

ABSTRACT Bacterial carboxyl-terminal processing proteases (CTPs) are widely conserved and have been linked to important processes including signal transduction, cell wall metabolism, and virulence. However, the features that target proteins for CTP-dependent cleavage are unclear. Studies of the Escherichia coli CTP Prc suggested that it cleaves proteins with non-polar and/or structurally unconstrained C-termini, but it is not clear if this applies broadly. Pseudomonas aeruginosa has a divergent CTP, CtpA, which is required for virulence. CtpA works in complex with the outer membrane lipoprotein LbcA to degrade cell wall hydrolases. Here, we investigated if the C-termini of two non-homologous CtpA substrates are important for their degradation. We determined that these substrates have extended C-termini, compared to their closest E. coli homologs. Removing seven amino acids from these extensions was sufficient to inhibit their degradation by CtpA both in vivo and in vitro . Degradation of one truncated substrate was restored by adding the C-terminus from the other, but not by adding an unrelated sequence. However, modification of the C-terminus of non-substrates, by adding the C-terminal amino acids from a substrate, did not cause their degradation by CtpA. Therefore, the C-termini of CtpA substrates are required but not sufficient for degradation. Although C-terminal truncated substrates were not degraded, they still associated with the LbcA•CtpA complex in vivo . Therefore, degradation of a protein by CtpA requires a C-terminal-independent interaction with the LbcA•CtpA complex, followed by C-terminal-dependent degradation, perhaps because CtpA must initiate cleavage at a specific C-terminal site. IMPORTANCE Carboxyl-terminal processing proteases (CTPs) are found in all three domains of life, but exactly how they work is poorly understood, including how they recognize substrates. Bacterial CTPs have been associated with virulence, including CtpA of Pseudomonas aeruginosa , which works in complex with the outer membrane lipoprotein LbcA to degrade potentially dangerous peptidoglycan hydrolases. We report an important advance by revealing that degradation by CtpA requires at least two separable phenomena, and that one of them depends on information encoded in the substrate C-terminus. A C-terminal-independent association with the LbcA•CtpA complex is followed by C-terminal-dependent cleavage by CtpA. Increased understanding of how CTPs target proteins is significant, due to their links to virulence, peptidoglycan remodeling, and other important processes.

ABSTRACT In Pseudomonas aeruginosa , alginate biosynthesis gene expression is inhibited by the transmembrane anti-sigma factor MucA, which sequesters the AlgU sigma factor. Cell envelope stress initiates cleavage of the MucA periplasmic domain by site-1 protease AlgW, followed by further MucA degradation to release AlgU. However, after colonizing the lungs of people with cystic fibrosis, P. aeruginosa converts to a mucoid form that produces alginate constitutively. Mucoid isolates often have mucA mutations, with the most common being mucA22 , which truncates the periplasmic domain. MucA22 is degraded constitutively, and genetic studies suggested that the Prc protease is responsible. Some studies also suggested that Prc contributes to induction in strains with wild-type MucA, whereas others suggested the opposite. However, missing from all previous studies is a demonstration that Prc cleaves any protein directly, which leaves open the possibility that the effect of a prc null mutation is indirect. To address the ambiguities and shortfalls, we reevaluated the roles of AlgW and Prc as MucA and MucA22 site-1 proteases. In vivo analyses using three different assays and two different inducing conditions all suggested that AlgW is the only site-1 protease for wild-type MucA in any condition. In contrast, genetics suggested that AlgW or Prc act as MucA22 site-1 proteases in inducing conditions, whereas Prc is the only MucA22 site-1 protease in non-inducing conditions. For the first time, we also show that Prc is unable to degrade the periplasmic domain of wild-type MucA but does degrade the mutated periplasmic domain of MucA22 directly. IMPORTANCE After colonizing the lungs of individuals with cystic fibrosis, Pseudomonas aeruginosa undergoes mutagenic conversion to a mucoid form, worsening the prognosis. Most mucoid isolates have a truncated negative regulatory protein MucA, which leads to constitutive production of the extracellular polysaccharide alginate. The protease Prc has been implicated, but not shown, to degrade the most common MucA variant, MucA22, to trigger alginate production. This work provides the first demonstration that the molecular mechanism of Prc involvement is direct degradation of the MucA22 periplasmic domain and perhaps other truncated MucA variants as well. MucA truncation and degradation by Prc might be the predominant mechanism of mucoid conversion in cystic fibrosis infections, suggesting that Prc activity could be a useful therapeutic target.

ABSTRACT In Pseudomonas aeruginosa, alginate biosynthesis gene expression is inhibited by the transmembrane anti-sigma factor MucA, which sequesters the AlgU sigma factor. Cell envelope stress initiates cleavage of the MucA periplasmic domain by site-1 protease AlgW, followed by further MucA degradation to release AlgU. However, after colonizing the lungs of people with cystic fibrosis, P. aeruginosa converts to a mucoid form that produces alginate constitutively. Mucoid isolates often have mucA mutations, with the most common being mucA22 , which truncates the periplasmic domain. MucA22 is degraded constitutively, and genetic studies suggested that the Prc protease is responsible. Some studies also suggested that Prc contributes to induction in strains with wild type MucA, whereas others suggested the opposite. However, missing from all previous studies is a demonstration that Prc cleaves any protein directly, which leaves open the possibility that the effect of a prc null mutation is indirect. To address the ambiguities and shortfalls, we reevaluated the roles of AlgW and Prc as MucA and MucA22 site-1 proteases. In vivo analyses using three different assays, and two different inducing conditions, all suggested that AlgW is the only site-1 protease for wild type MucA in any condition. In contrast, genetics suggested that AlgW or Prc act as MucA22 site-1 proteases in inducing conditions, whereas Prc is the only MucA22 site-1 protease in non-inducing conditions. For the first time, we also show that Prc is unable to degrade the periplasmic domain of wild type MucA, but does degrade the mutated periplasmic domain of MucA22 directly. IMPORTANCE After colonizing the lungs of individuals with cystic fibrosis, P. aeruginosa undergoes mutagenic conversion to a mucoid form, worsening the prognosis. Most mucoid isolates have a truncated negative regulatory protein MucA, which leads to constitutive production of the extracellular polysaccharide alginate. The protease Prc has been implicated, but not shown, to degrade the most common MucA variant, MucA22, to trigger alginate production. This work provides the first demonstration that the molecular mechanism of Prc involvement is direct degradation of the MucA22 periplasmic domain, and perhaps other truncated MucA variants as well. MucA truncation and degradation by Prc might be the predominant mechanism of mucoid conversion in cystic fibrosis infections, suggesting that Prc activity could be a useful therapeutic target.

Carboxy-terminal processing proteases (CTPs) occur in all three domains of life. In bacteria some of them have been associated with virulence. However, the precise roles of bacterial CTPs are poorly understood and few direct proteolytic substrates have been identified. One bacterial CTP is the CtpA protease of Pseudomonas aeruginosa, which is required for type III secretion system function, and for virulence in a mouse model of acute pneumonia. Here, we have investigated the function of CtpA in P. aeruginosa and identified some of the proteins it cleaves. We discovered that CtpA forms a complex with a previously uncharacterized protein, which we have named LbcA (lipoprotein binding partner of CtpA). LbcA is required for CtpA activity in vivo and promotes its activity in vitro. We have also identified four proteolytic substrates of CtpA, all of which are uncharacterized proteins predicted to cleave the peptide cross-links within peptidoglycan. Consistent with this, a ctpA null mutant was found to have fewer peptidoglycan cross-links than the wild type and grew slowly in salt-free medium. Intriguingly, the accumulation of just one of the CtpA substrates was required for some ∆ctpA mutant phenotypes, including the defective T3SS. We propose that LbcA-CtpA is a proteolytic complex in the P. aeruginosa cell envelope, which controls the activity of several peptidoglycan cross-link hydrolases by degrading them. Furthermore, based on these and other findings we suggest that many bacterial CTPs might be similarly controlled by partner proteins as part of a widespread mechanism to control peptidoglycan hydrolase activity.

ABSTRACT Most bacterial cell envelopes contain a cell wall layer made of peptidoglycan. The synthesis of new peptidoglycan is critical for cell growth, division and morphogenesis, and is also coordinated with peptidoglycan hydrolysis to accommodate the new material. However, the enzymes that cleave peptidoglycan must be carefully controlled to avoid autolysis. In recent years, some control mechanisms have begun to emerge, although there are many more questions than answers for how most cell wall hydrolases are regulated. Here, we report a novel cell wall hydrolase control mechanism in Pseudomonas aeruginosa , which we discovered during our characterization of a mutant sensitive to the overproduction of a secretin protein. The mutation affected an uncharacterized Sel1-like repeat protein encoded by the PA3978 locus. In addition to the secretin-sensitivity phenotype, PA3978 disruption also increased resistance to a β-lactam antibiotic used in the clinic. In vivo and in vitro analysis revealed that PA3978 binds to the catalytic domain of the lytic transglycosylase MltF and inhibits its activity. ΔPA3978 mutant phenotypes were suppressed by deleting mltF , consistent with them having been caused by elevated MltF activity. We also discovered another interaction partner of PA3978 encoded by the PA5502 locus. The phenotypes of a ΔPA5502 mutant suggested that PA5502 interferes with the inhibitory function of PA3978 towards MltF, and we confirmed that activity for PA5502 in vitro . Therefore, PA3978 and PA5502 form an inhibitor/anti-inhibitor system that controls MltF activity. We propose to name these proteins Ilt (inhibitor of lytic transglycosylase) and Lii (lytic transglycosylase inhibitor, inhibitor). IMPORTANCE A peptidoglycan cell wall is an essential component of almost all bacterial cell envelopes, which determines cell shape and prevents osmotic rupture. Antibiotics that interfere with peptidoglycan synthesis have been one of the most important treatments for bacterial infections. Peptidoglycan must also be hydrolyzed to incorporate new material for cell growth and division, and to help accommodate important envelope-spanning systems. However, the enzymes that hydrolyze peptidoglycan must be carefully controlled to prevent autolysis. Exactly how this control is achieved is poorly understood in most cases, but is a highly active area of current research. Identifying hydrolase control mechanisms has the potential to provide new targets for therapeutic intervention. The work here reports the important discovery of a novel inhibitor/anti-nhibitor system that controls the activity of a cell wall hydrolase in the human pathogen Pseudomonas aeruginosa , and which also affects resistance to an antibiotic used in the clinic.