• No results found

University of Groningen A Tale of Two Cell Factories Neef, Jolanda

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "University of Groningen A Tale of Two Cell Factories Neef, Jolanda"

Copied!
201
0
0

Bezig met laden.... (Bekijk nu de volledige tekst)

Hele tekst

(1)

A Tale of Two Cell Factories

Neef, Jolanda

DOI:

10.33612/diss.99279788

IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from it. Please check the document version below.

Document Version

Publisher's PDF, also known as Version of record

Publication date: 2019

Link to publication in University of Groningen/UMCG research database

Citation for published version (APA):

Neef, J. (2019). A Tale of Two Cell Factories: Heterologous protein secretion in Bacillus subtilis and Lactococcus lactis. University of Groningen. https://doi.org/10.33612/diss.99279788

Copyright

Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons).

Take-down policy

If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim.

Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum.

(2)

 

 

 

 

A Tale of Two Cell Factories 

 

Heterologous protein secretion in  

Bacillus subtilis and Lactococcus lactis 

 

 

 

 

 

 

 

 

Jolanda Neef 

 

 

(3)

of Groningen (The Netherlands).  

The studies presented in this thesis were financially supported by the Top Institute Pharma (Project  T4‐213 and T4‐502) and Genencor‐DuPont (Palo Alto, CA, USA). 

Publication  of  this  thesis  was  partly  supported  by  the  Graduate  School  of  Medical  Sciences  of  the  University of Groningen.                                    

A  Tale  of  Two  Cell  Factories  –  Heterologous  protein  secretion  in  Bacillus  subtilis  and  Lactococcus 

lactis  Dissertation of the University of Groningen  ISBN: 978‐94‐034‐2101‐8 (printed book)   ISBN: 978‐94‐034‐2100‐1 (digital)  Cover: Abstract interpretation of the Two Cell Factories, Bacillus subtilis and Lactococcus lactis  Cover design: Amber Nieuwenweg and Jolanda Neef  Printed by: Ipskamp Printing, Enschede  Copyright © Jolanda Neef, 2019 

(4)

   

 

A Tale of Two Cell Factories 

Heterologous protein secretion in Bacillus subtilis and Lactococcus lactis 

 

 

PhD thesis 

 

 

to obtain the degree of PhD at the  

University of Groningen 

on the authority of the 

Rector Magnificus Prof. C. Wijmenga 

and in accordance with  

the decision of the College of Deans 

 

This thesis will be defended in public on 

 

Wednesday 6 November 2019 at 12:45 hours 

 

by 

 

Jolanda Neef 

 

born on 14 August 1978 

(5)

 

Co‐supervisor 

Dr. G. Buist 

 

Assessment committee 

 

Prof. J. Kok 

Prof. D.J. Scheffers 

Prof. D. van Sinderen 

 

 

(6)

Dr. Sjouke Piersma 

Drs. Rocío Aguilar Suárez 

                    Voor Joep en Nienke 

 

 

(7)
(8)

 

Chapter 1 

General introduction and scope of this thesis 

 

 

 

 

 

Manuscript to be submitted 

 

 

 

Chapter 2 

Efficient production of secreted staphylococcal antigens in a  

 

43 

non‐lysing and proteolytically reduced Lactococcus lactis strain 

Published in Appl Microbiol Biotechnol. 2014, 98: 10131‐41 

 

Chapter 3 

Versatile vector suite for the extracytoplasmic production and 

 

67 

 

 

purification of heterologous His‐tagged proteins in Lactococcus 

 

 

lactis 

 

 

Published in Appl Microbiol Biotechnol. 2015, 99: 9037‐48 

 

Chapter 4 

A Lactococcus lactis expression vector set with multiple affinity    

89 

tags to facilitate isolation and direct labeling of heterologous secreted 

proteins 

Published in Appl Microbiol Biotechnol. 2017, 101: 8139–49 

 

Chapter 5 

Human antibody responses against non‐covalently cell wall‐bound  

107

 Staphylococcus aureus proteins 

 

Published in Sci Rep. 2018, 8: 3234 

 

Chapter 6 

Intramembrane protease RasP boosts protein production in Bacillus 

131 

 

Published in Microb Cell Fact. 2017, 16: 57 

 

Chapter 7 

Relative contributions of individual Sec pathway components to high‐ 

149 

level enzyme secretion by Bacillus subtilis 

Manuscript to be submitted 

 

Chapter 8 

General summary and discussion 

 

 

 

 

 

169 

 

Chapter 9 

Nederlandse samenvatting (voor de leek)   

 

 

 

179 

 

Chapter 10 

Dankwoord – Acknowledgements   

 

 

 

 

189 

 

 

Curriculum Vitae (NL)  

 

 

 

 

 

 

197 

 

 

Curriculum Vitae (ENG) 

 

 

 

 

 

 

198 

 

 

List of publications 

 

 

 

 

 

 

 

199 

 

(9)
(10)

     

Chapter 1 

 

General introduction and scope of this thesis 

 

 

 

A Tale of Two Cell Factories 

Heterologous protein secretion in Bacillus subtilis and Lactococcus lactis 

 

Jolanda Neef, Jan Maarten van Dijl*, Girbe Buist* 

*Authors contributed equally to this work 

 

Manuscript to be submitted 

Supplementary material available at

 

https://www.dropbox.com/sh/ncxgv6d6vl505f6/AABEOJjZepDTijRqFVkyFsFda?dl=0  

(11)

Abstract  

Secreted recombinant proteins are of great significance for industry, healthcare and a sustainable bio‐ based economy. Consequently, there is an ever‐increasing need for efficient production platforms to  deliver such proteins in high amounts and high quality. Gram‐positive bacteria, particularly bacilli such  as Bacillus subtilis, are favored for the production of secreted industrial enzymes. Nevertheless, protein  production in the B. subtilis cell factory can be very challenging due to bottlenecks in the general (Sec)  secretion pathway as well as this bacterium’s intrinsic capability to secrete a cocktail of highly potent  proteases.  This  has  placed  another  Gram‐positive  bacterium,  Lactococcus  lactis,  in  the  focus  of  attention  as  an  alternative,  non‐proteolytic,  cell  factory  for  secreted  proteins.  Here  we  review  our  current understanding of the general secretion machinery employed by B. subtilis and L. lactis to guide  proteins  from  their  site  of  synthesis,  the  cytoplasm,  into  the  fermentation  broth.  In  addition,  we  address species‐specific signatures of signal peptide that direct proteins into the respective secretory  pathways.  An  advantage  of  this  cell  factory  comparison  is  that  it  identifies  new  opportunities  for  protein  secretion  pathway  engineering  to  remove  or  bypass  current  production  bottlenecks.  Noteworthy new developments in cell factory engineering are the mini‐Bacillus concept, highlighting  potential advantages of massive genome minimization, and the application of thus far untapped ‘non‐ classical’ protein secretion routes. Altogether, it is foreseen that engineered lactococci will find future  applications  in  the  production  of  high‐quality  proteins  at  the  relatively  small  pilot  scale,  while  engineered bacilli will remain a favored choice for protein production in bulk.    

(12)

Introduction 

To thrive and survive in different ecological niches, bacteria secrete a wide range of different proteins.  This  allows  them  to  take  optimal  advantage  of  their  habitat,  as  exemplified  by  the  secretion  of  proteases  that  facilitate  the  acquisition  of  peptides  and  amino  acids,  be  it  in  the  soil  through  the  degradation of dead organic matter or in the human body upon invasive disease (Richardson et al.  2015). The secretion of proteins from their site of synthesis, the cytoplasm, to the extracellular milieu  is  not  a  spontaneous  process,  but  it  requires  membrane  channels  and  an  intricate  machinery  that  converts metabolic energy into a force that drives proteins through the membrane. Importantly, many  integral membrane proteins are inserted into the bacterial cytoplasmic membrane via the same export  pathway  that  is  followed  by  secreted  proteins.  Consequently,  protein  translocation  across  the  cytoplasmic  membrane  is  invariably  an  essential  process  (Yuan  et  al.  2010).  In  most  cases,  the  translated proteins that are transported across the membrane need to stay in a soluble unfolded state,  which  is  supported  by  so‐called  chaperones.  In  addition,  proteins  destined  for  export  from  the  cytoplasm are labeled with an N‐terminal signal peptide, which serves different roles in membrane  targeting and translocation (Dalbey et al. 2012). Generally, nascent signal peptides emerging from the  ribosome are recognized by dedicated chaperones that enhance membrane targeting and association  with the machinery for membrane translocation (Pallen et al. 2003; Zanen et al. 2006; Tjalsma et al.  2000; Bechtluft et al. 2010; Tsirigotaki et al. 2017). During or shortly after membrane translocation,  the signal peptide is separated from the exported protein by signal peptidases and the protein will fold  into its stable and active conformation at the trans side of the membrane (Dalbey et al. 2012). The  latter  folding  step  could  in  principle  occur  spontaneously  but,  in  most  cases,  it  involves  particular  folding catalysts (De Geyter et al. 2016; Sarvas et al. 2004). The folding step is considered important  for  release  of  the  exported  protein  into  the  extracellular  environment,  if  only  to  avoid  unwanted  interactions  with  the  cell  envelope,  to  prevent  aggregation,  or  to  limit  degradation  as  unfolded  proteins are highly susceptible to proteases. If the exported proteins are synthesized with particular  retention  signals,  they  will  be  retained  in  the  bacterial  cell  envelope  although  increasing  evidence  indicates that this retention is often only temporal (Tjalsma et al. 2000; Tjalsma et al. 2004; Dreisbach  et al. 2011). 

Gram‐positive  bacteria  are  particularly  well  known  for  their  intrinsic  capacity  to  secrete  proteins  directly into the extracellular milieu (Anne et al. 2017). This relates to the relatively simple structure  of their cell envelope where, in the most elementary form, the membrane is surrounded by a relatively  thick cell wall composed of peptidoglycan and several other polymers. Importantly, the cell wall has a  porous  structure,  allowing  the  passage  of  proteins  upon  membrane  translocation.  A  Gram‐positive  bacterium that is well‐known for its high capacity to secrete proteins is Bacillus subtilis. In nature, B. 

(13)

subtilis flourishes in the challenging niches provided by the soil and plant rhizosphere, where it secretes  a cocktail of different degradative enzymes to obtain nutrients (e.g. sugars, amino acids, phosphate  and metal ions), and to defend itself from chemical and biological insults (Earl et al. 2008). Due to its  well‐developed  and  highly  efficient  secretion  machinery,  B.  subtilis  has  also  become  a  popular  biotechnological ‘cell factory’ for the bulk production of commercially relevant secreted proteins, in  particular technical enzymes such as proteases, amylases and xylanases (Van Dijl and Hecker 2013;  Harwood and Cranenburgh 2007). Industrial enzymes are used in many different markets including  personal  care,  food  and  beverages,  detergents,  textiles,  animal  feed,  chemicals  and  biofuels.  They  permeate every aspect of our daily life and the markets are consequently large. In particular, the global  market for food enzymes is forecast to grow from $1.8 billion in 2017 to about $2.2 billion in 2022,  whereas the global industrial enzymes market is forecast to growth from $5.5 billion in 2018 to $7.0  billion  by  2023  (Business  Communications  Company  Inc.,  2018).  Today  there  is  a  need  for  new,  improved and more versatile enzymes in order to develop more novel, sustainable and economically  competitive production processes. Accordingly, the various secretion systems of B. subtilis and the full  complement  of  secreted  proteins,  collectively  termed  the  ‘secretome’,  have  been  intensely  investigated.  Importantly,  the  studies  on  B.  subtilis  also  provided  new  insights  into  the  secretion  pathways  that  are  present  in  other  Gram‐positive  bacteria,  especially  bacilli,  lactic  acid  bacteria,  streptococci and staphylococci (Tjalsma et al. 2004; Sibbald et al. 2006).  

In  the  biotechnological  context,  it  should  be  noted  that  Gram‐positive  bacteria  lack  the  outer  membrane that is present in Gram‐negative bacteria, such as Escherichia coli. This absence of an outer  membrane not only simplifies the secretion process, but it also has the great advantage that Gram‐ positive  bacteria  such  as  B.  subtilis  and  Lactococcus  lactis  lack  lipopolysaccharides,  also  known  as  endotoxins (Hohmann et al. 2016). To avoid the barrier imposed by the outer membrane, E. coli‐based  expression systems often aim at protein production in the cytoplasm. This allows the accumulation of  massive amounts of product in the cytoplasm but, at the same time, it significantly complicates the  downstream processing of the produced proteins. This is further complicated by the fact that proteins  overproduced in  the  cytoplasm often  aggregate, forming so‐called inclusion  bodies from  which the  product can only be recovered upon cell disruption and treatment with strong denaturing agents, such  as  urea.  Conversely,  the  downstream  processing  of  proteins  secreted  into  the  growth  medium  of  Gram‐positive  bacteria  is  generally  easy,  non‐denaturing  and  cost‐effective  (Hohmann  et  al.  2016).  Amongst the Gram‐positive bacteria, B. subtilis and related bacilli, such as Bacillus amyloliquefaciens  and Bacillus licheniformis, offer the additional advantage that they can be readily fermented at large  scale using cheap carbon sources, which adds to the cost‐effectiveness. This is important as industrial  enzymes,  in  contrast  to  biopharmaceuticals,  are  marketed  at  relatively  low  prices  (Hohmann  et  al.  2016). A particular advantage of B. subtilis is that, due to the absence of toxins, products from this cell 

(14)

factory have obtained the Generally Regarded as Safe (GRAS) status from the United States Food and  Drug Administration (FDA). In addition, B. subtilis is on the list of organisms with Qualified Presumption  of Safety (QPS) status assembled by the European Food Safety Authority (EFSA) (Hohmann et al. 2016).  This makes B. subtilis very attractive as a cell factory, not only for food enzymes, but perhaps even  more so for biotherapeutics that are used to treat an increasingly wide range of serious diseases. The  worldwide sales for such protein drugs reached $138 billion in 2010 and are estimated to reach $320  billion by 2020 (PharmiWeb.com).  Despite all the advantages, production of secreted heterologous proteins in B. subtilis is frequently  challenging. In particular, the fact that B. subtilis naturally secretes multiple proteases can interfere  with the production of proteins that are sensitive to degradation (Harwood and Cranenburgh 2007;  Pohl  and  Harwood  2010).  Even  though  strains  lacking  up  to  ten  different  proteases  have  been  developed, this problem has still not been completely overcome (Supplementary Table 1). Moreover,  various  other  secretion  bottlenecks  are  also  known  to  exist  at  the  levels  of  membrane  targeting,  translocation and post‐translocational protein folding (Hohmann et al. 2016). Thus, while B. subtilis is  overall a highly attractive cell factory that is intensively exploited in the industry (Pohl et al. 2013),  there  is  room  for  additional,  preferably  Gram‐positive,  bacterial  platforms  for  secretory  protein  production  in  which  the  afore‐mentioned  disadvantages  can  be  circumvented.  One  such  platform  could be L. lactis, a food‐grade Gram‐positive bacterium thus far used mostly in the dairy industry.   Recent studies have shown that L. lactis can be applied in the production of various protease‐sensitive  proteins, including potential vaccines (Neef et al. 2014; Neef et al. 2015; Samazan et al. 2015; Romero  Pastrana et al. 2017). Intriguingly, despite its important role in the degradation of casein during cheese  ripening, L. lactis produces no more than three major proteases that can have an impact on protein  production.  The  major  secreted  protease  needed  for  cheese  production  is  PrtP,  but  this  plasmid‐ encoded enzyme is dispensable for growth of L. lactis on media other than milk (Kok et al. 1985; Mierau  et al. 1997). L. lactis possesses two additional house‐keeping proteases, namely the extracytoplasmic  protease HtrA and the cytoplasmic protease ClpP. Deletion of the htrA gene from L. lactis results in  highly reduced proteolysis of various heterologously produced and secreted proteins (Supplementary  Table 2), showing a major function in extracytoplasmic protein turnover (Cortes‐Perez et al. 2006). In  contrast, deletion of the clpP gene either by itself or in combination with an htrA deletion does not  further enhance extracellular protein production. This was exemplified with the secreted nuclease Nuc  of Staphylococcus aureus and the human papillomavirus E7 protein fused to Nuc (Cortes‐Perez et al.  2006). Nonetheless, a clpP htrA double mutant was shown to be more resistant to temperature and  ethanol stress than the respective single mutants. This indicates that the double mutant may be more  robust and, therefore, better suited for protein production (Cortes‐Perez et al. 2006). The notion that 

(15)

several proteinaceous antigens from S. aureus can be produced and secreted in L. lactis, but not in  wild‐type B. subtilis or mutant strains lacking particular protease genes. This was only recently shown  to be possible in an engineered ‘mini‐Bacillus’ strain lacking 36% of the genome (Aguilar Suarez et al.  2018). On the other hand, although L. lactis displays less proteolytic activity than B. subtilis, it has to  be noted that the overall production yields achieved with L. lactis remain significantly lower than those  achieved with B. subtilis (Neef et al. 2014). At the laboratory scale, the difference in yields is about  100‐fold with B. subtilis secreting proteins in the gram per liter range. Under optimized fermentation  conditions B. subtilis can easily produce 25 grams of protein per liter culture (Van Dijl and Hecker 2013;  Hohmann et al. 2016). This difference in productivity can be attributed to multiple factors. In the first  place, B. subtilis can be grown to much higher cell densities than L. lactis. Further, L. lactis has the  tendency to acidify its growth medium due to lactate production, which may set a limit to growth.  Importantly,  there  also  appear  to  be  substantial  differences  in  the  secretion  capacity  of  both  organisms, which may relate to differences in the machinery for protein export and the evolutionary  pressures exerted on the respective organisms. While the secretion machinery of L. lactis has become  highly geared towards growth in milk, B. subtilis has evolved in an environment where nutrients come  in highly variable composition, quality and structure, depending on available dead organic matter.   From a protein production point of view, the use of both B. subtilis and L. lactis is attractive due to  their complementarity and the possibility to gain important insights how either production platform  can be further improved. In particular, it seems that L. lactis can be very useful for the production of  protease‐sensitive high‐value proteins, such as vaccine components and biopharmaceuticals, while B.  subtilis is currently better suited as an industrial work horse for the production of technical enzymes  in bulk amounts. The objective of this overview is, thus, to compare both production platforms with  focus on the respective strengths and weaknesses. 

Signal peptides 

Protein production in all living cells relies on the transcription of genes, and the subsequent ribosomal  translation  of  mRNA  into  polypeptides.  To  specifically  transport  proteins  from  the  ribosome  in  the  cytosol  to  a  translocation  channel  in  the  cytoplasmic  membrane,  the  respective  proteins  are  synthesized with N‐terminal signal peptides (SPs). The different known SPs are variable in length and  show  little  amino  acid  sequence  similarity  (Dalbey  et  al.  2012).  Nevertheless,  they  show  structural  conservation  as  they  invariably  consist  of  (i)  a  positively  charged  N‐terminal  region  with  lysine  or  arginine  residues  and,  incidentally,  histidine  residues,  (ii)  a  central  H‐region,  consisting  of  mostly  hydrophobic residues, with the potential to adopt an α‐helical conformation, and (iii) a hydrophilic C‐ region with a signal peptidase recognition site including the Ala‐x‐Ala consensus motif. The C‐domain 

(16)

has a β‐stranded confirmation to allow recognition by signal peptidase and subsequent cleavage C‐ terminally of the Ala‐x‐Ala (Dalbey et al. 2012; Tjalsma et al. 2000).   

Of  note,  a  range  of  proteins  synthesized  with  signal  peptides  for  export  from  the  cytoplasm  is  transiently  or  permanently  retained  by  the  cell  after  membrane  translocation.  These  include  lipid‐ modified  proteins  (in  short  lipoproteins),  and  proteins  that  are  either  covalently  or  non‐covalently  bound to cell wall components like peptidoglycan or (lipo)teichoic acids (Tjalsma et al. 2000; Tjalsma  et al. 2004; Dreisbach et al. 2011; Dreisbach et al. 2010). The membrane retention of lipoproteins is  facilitated  by  a  diacyl‐glyceryl  modification.  This  modification  is  catalyzed  by  the  prolipoprotein  diacylglyceryl transferase (Lgt), which attaches the diacyl‐glyceryl moiety to an invariant Cys residue in  the  so‐called  lipo‐box  lipoprotein  precursors  (Leskela  et  al.  1999).  Subsequently,  the  lipid‐modified  precursor  protein is processed by the lipoprotein‐specific signal peptidase Lsp  (Tjalsma  et al. 1999;  Pragai  et  al.  1997).  To  attach  translocated  proteins  covalently  to  the  cell  wall  peptidoglycan,  a  C‐ terminal  LPxTG  recognition  motif  is  recognized  by  a  transpeptidase  that  is  referred  to  as  ‘sortase’,  which  hydrolyses  the  bond  between  the  Thr  and  Gly  residues  and  attaches  the  Thr  residue  to  the  peptidoglycan (Dramsi and Bierne 2017; Schneewind and Missiakas 2014; Siegel et al. 2017; Marraffini  et al. 2006). In B. subtilis and L. lactis this process is catalyzed by the sortase SrtA (YhcS in B. subtilis)  (Fasehee et al. 2011; Dieye et al. 2010). Proteins that are non‐covalently attached to the cell wall are  characterized by one or more conserved motifs that enable specific binding to the cell wall components  by  hydrogen  bonding,  van  der  Waals  interactions,  or  electrostatic  interactions.  Well‐characterized  domains for non‐covalent cell wall binding are the LysM domains (Buist et al. 2008), SH3b domains  (Mitkowski  et  al.  2019),  the  sporulation‐related  SPOR‐domains  (Yahashiri  et  al.  2017),  and  CHAP  domains (Bateman and Rawlings 2003). 

Table 1: Numbers of potentially exported proteins of B. subtilis 168 and L. lactis IL1403 and their  predicted extracytoplasmic localization. 

Localization  Species  Number of proteins  % of total number of proteinsa 

All  B. subtilis  270  6.5    L. lactis  107  5  Extracellular  B. subtilis  129  3  (Secreted)  L. lactis  55  2.5  Cell wall  B. subtilis   38  1    L. lactis  19  1  Membrane – cell wall interface  (Lipoproteins)  B. subtilis  L. lactis  103  33  2.5  1.5  aThe % of the total number of extracytoplasmic proteins at particular subcellular locations was calculated based  on  the  total  number  of  proteins  of  B.  subtilis  168  or  L.  lactis  IL1403  present  in  their  respective  proteomes  (UP000001570 for B. subtilis 168 and UP000002196 for L. lactis IL1403).  

(17)

To obtain an overview of the different properties of the secretion machinery of B. subtilis and L. lactis,  we  revisited  previously  published  genome  data  by  a  bioinformatics  analysis,  predicting  all  signal  peptides  as  well  as  the  subcellular  location  of  the  respective  proteins  using  the  decision  tree  represented in Figure 1. To this end, the proteomes of the type strains B. subtilis 168  and L. lactis  IL1403,  UP000001570  and  UP000002196  respectively,  were  used  because  these  are  currently  annotated best for the two species. Further, a pipeline of freely available prediction tools for signal  peptides  and  subcellular  protein  localization  was  applied  (Figure  1).  Based  on  this  combinatorial  analysis, the localization of the various exported proteins was assessed, as detailed in Supplementary  Tables 3 and 4, and summarized in Table 1. Relative to the total numbers of proteins per organism, B.  subtilis 168 potentially produces more extracellular proteins than L. lactis IL1403. On the other hand,  the relative numbers of predicted cell wall‐bound proteins in L. lactis and B. subtilis are comparable  (Table 1).     Figure 1: Decision tree for prediction of signal peptides and subcellular protein localization. To predict signal  peptides  (SPs)  and  subcellular  protein  localization  in  B.  subtilis  and  L.  lactis,  a  pipeline  of  freely  available  prediction tools for SPs and subcellular protein localization was applied. These included LipoP1.0a for detection  of SPs of lipoproteins (http://www.cbs.dtu.dk/services/LipoP/) (Juncker et al. 2003), Signal P4.1 for prediction of  secretory SPs (http://www.cbs.dtu.dk/services/SignalP/) (Petersen et al. 2011), CW PRED for the determination  of  LPxTG  motifs  of  covalently  cell  wall  bound  proteins  (http://bioinformatics.biol.uoa.gr/CW‐PRED/input.jsp).  Analysis of cell wall binding domains in proteins exported from the cytoplasm was performed using CDD‐batch  (https://www.ncbi. nlm.nih.gov/Structure/bwrpsb/bwrpsb.cgi) (Marchler‐Bauer et al. 2015)  and TMHMM2.0c  for transmembrane helixes (http://www.cbs.dtu.dk/services/TMHMM/) (Krogh et al. 2001). Although LipoP was  originally trained for the prediction of lipoprotein signal peptides from Gram‐negative bacteria, it can also be  applied for the prediction of such signal peptides from Gram‐positive bacteria (Rahman et al. 2007; Tjalsma and  van Dijl 2005).    Comparison of the lengths of identified SPs from both species showed that the average lengths of SPs  from all secreted B. subtilis and L. lactis proteins differ considerably. As shown in Figure 2a, B. subtilis  extracytoplasmic  proteins  have  SPs  with  an  average  length  of  24.7  amino  acids  (aa),  and  for  extracytoplasmic proteins of L. lactis the average SP length is 27.7 aa. For proteins that are directed to 

(18)

the cell wall, the average length of SPs in L. lactis is longer (33.8 aa) than for the equivalent proteins of  B. subtilis (27.5 aa). L. lactis contains one extremely long SP of 57 aa, which belongs to the cell wall  bound protein AcmA (Buist et al. 1995). Why this SP needs to be this long is presently not clear, but it  is  suggestive  of  an  additional  function  of  the  signal  peptide  or  usage  of  an  alternative  secretion  mechanism (Berks 1996). Also, the SPs from lipo‐ and secreted proteins of L. lactis are longer compared  to B. subtilis, in L. lactis IL1403 they have lengths of 21.4 aa and 29.4 aa respectively, and in B. subtilis 

   

  

Figure 2: General properties of signal peptides in B. subtilis and L. lactis. The prediction of signal peptides and  subcellular  protein  localization  in  B.  subtilis  168  and  L.  lactis  IL1403  was  performed  through  a  combinatorial  analysis  with  the  LipoP,  Signal  P4.1,  TMHMM,  CW‐PRED  and  CDD‐batch  algorithms,  using  the  respective  translated open reading frames (light grey, B. subtilis 168; dark grey, L. lactis IL1403). Error bars represent the  Standard Error of the Mean. A distinction was made between signal peptides of all collectively analyzed exported  proteins (All), or signal peptides of secreted (Secreted), cell wall‐bound (Cell wall) and lipid‐modified proteins  (Lipo). (a) Signal peptide lengths, (b) pI distribution of SPs, and (c) number of positively charged amino acids in  the signal peptide.  a 0 5 10 15 20 25 30 35 40

All Secreted Cell wall Lipo

Len gth  of  SP  (#  am ino  ac ids ) c 0 1 2 3 4 5 6

All Secreted Cell wall Lipo

#  pos it iv e ly  ch ar ge d  re si d u e s 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

B. subtilis L. lactis B. subtilis L. lactis B. subtilis L. lactis

Secreted Cell wall Lipo

12.50‐13.49 11.50‐12.49 10.50‐11.49 9.50‐10.49 8.50‐9.49 7.50‐8.49 6.50‐7.49 5.50‐6.49 4.50‐5.49 3.50‐4.49

b

pI

(19)

168  this  is  19.8  aa  and  27.9  aa,  respectively.  Of  note,  these  differences  are  less  pronounced  than  obtained for the cell wall bound proteins.  

The isoelectric point (pI) of most SPs of L. lactis and B. subtilis lies in the range of 9.5‐10.5 and for SPs  from lipoproteins and cell wall‐bound proteins in L. lactis this is also the dominant pI range. Notably,  there is a higher variation in the pI of SPs from B. subtilis than observed for SPs from L. lactis (Figure 

2b).  Related  to  this,  we  determined  the  number  of  positively  charged  aa  in  the  complete  SP  (i.e. 

arginine, lysine and histidine), where it should be noted that the charge of histidine depends on the  pH.  This  analysis  showed  that  SPs  from  extracellular  proteins  of  L.  lactis  contain  more  positively  charged aa than the SPs of such proteins in B. subtilis (Figure 2c). To analyze this in more detail, we  assessed the positive charge relative to the SP length, as presented in Figure 3. This showed that SPs  of secreted and cell wall‐bound proteins contain relatively more positively charged amino acids in L.  lactis than in B. subtilis. However, for SPs from lipoproteins this is the other way round with relatively  more  positively  charged  aa  in  SPs  of  B.  subtilis  lipoproteins.  This  appears  mainly  due  to  the  bias  introduced  by  the  B.  subtilis  lipoprotein  YdhK  SP  of  38  aa,  which  contains  no  less  than  9  positively  charged aa. The YdhK protein is involved in survival of oxidative stress conditions (Reder et al. 2012).     Figure 3: Numbers of positively charged residues per SP length. The numbers of positively charged aa in the SPs  of (a) secreted proteins, (b) cell wall‐bound proteins, (c) lipoproteins of B. subtilis (‐) and L. lactis (x) are plotted  against the length of the SP. The trendline through the data points is represented by straight lines for B. subtilis  and dotted lines for L. lactis.  c a b 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 10 20 30 40 50 60 pos it iv e ly  ch ar ge d  r e si due s SP length (#AA) 0 2 4 6 8 10 12 14 0 10 20 30 40 50 60 pos it iv e ly  ch ar ge d  r e si due SP length (# AA) 0 2 4 6 8 10 0 10 20 30 40 pos it iv e ly  ch ar ge d  r e si due s SP length (#AA)

(20)

To  assess  the  general  capabilities  of  the  identified  signal  peptides,  we  compared  the  mature  cargo  proteins of L. lactis and B. subtilis. This showed that the mature proteins exported with the help of the  identified signal peptides are, overall, comparable in size (Supplementary Figure 1). Nevertheless, the  cell wall‐bound proteins of L. lactis are on average larger (59.5 kDa) than the respective proteins from  B. subtilis (48.8 kDa), while their pI is lower (5.5 vs 7.8, respectively; Supplementary Figure 1, a and b).  The majority of cell wall‐bound proteins of L. lactis has a pI between, 4.5‐5.5, while in B. subtilis the  majority of proteins belonging to this group has a pI between 8.5‐9.5 (Supplementary Fig. 1c). The  average pI of the secreted proteins appears to be the same in both bacteria (both 6.6), which is also  reflected in the comparable pI distribution. In contrast, the lipoproteins of L. lactis have a significantly  higher pI (7.2) than lipoproteins of B. subtilis (6).   As described by (Tjalsma et al. 2004), secretory SPs of B. subtilis contain a cleavage site for type I signal  peptidases  (SipS‐SipW)  with  a  consensus  Ala‐x‐Ala  motif  at  the  ‐3  to  ‐1  positions  relative  to  the  cleavage  site.  Lipoproteins  contain  a  consensus  Leu‐x‐x‐Cys  motif  for  recognition  by  type  II  signal  peptidase  (LspA),  where  cleavage  takes  place  N‐terminally  of  the  strictly  conserved  Cys  residue  (Tjalsma  et  al.  1999).  To  determine  if  this  is  also  true  for  L.  lactis  IL1403,  the  cleavage  sites  of  the  different  SPs  were  assessed  using  the  web‐based  sequence  logo  generator  Seq2Logo  (http://www.cbs.dtu.dk/biotools/Seq2Logo/) (Thomsen and Nielsen 2012). As is depicted in Figure 4,  most  secreted  and  cell  wall‐located  proteins  of  B.  subtilis  contain  the  Ala‐x‐Ala  consensus  motif,  whereas proteins of L. lactis IL1403 with the equivalent localization contain Val or Ala residues at the  ‐3 position. B. subtilis prefers an Ala residue at the +1 position after the cleavage site, and at +2 it  prefers a negatively charged residue with Glu most abundantly represented in secretory proteins and  Asp in cell wall proteins. In contrast, L. lactis has a preference for Ala at +1 in secretory proteins and  Asp in cell wall‐bound proteins, whereas at +2 a Thr is preferred. For lipoproteins the differences in  cleavage site motifs are less pronounced with a slight preference for Gly at the ‐1 position in B. subtilis  168.   While many different signal peptides are applied for protein production in B. subtilis (Supplementary 

Table  1),  the  preferred  signal  peptide  for  protein  production  in  L.  lactis  is  derived  from  the  major 

secreted lactococcal protein Usp45. The latter signal peptide has a length of only 27 aa (van Asseldonk  et  al.  1990)  (Supplementary  Table  2).  Interestingly,  while  the  native  Usp45  protein  is  abundantly  secreted by L. lactis, its SP contains a cleavage site that is more similar to the ones encountered in cell  wall‐bound proteins (VYA_DT), which is consistent with the presence of a CHAP domain for cell wall  binding. Interestingly the Usp45 signal peptide was optimized for heterologous protein expression and  secretion by random mutations of the H‐region (Ng and Sarkar 2013), but our present bioinformatics  analysis suggests that there may be additional benefit in modifying the C‐region as well. 

(21)

 

 

 

Figure  4:  Signal  peptidase  cleavage  sites.  To  assess  differences  in  the  preferred  SP  cleavage  sites  for  signal  peptidase I (a and b) and signal peptidase II (c) in B. subtilis 168 and L. lactis IL1403 a Seq2logo analysis was  performed (http://www.cbs.dtu.dk/biotools/Seq2Logo/). Specifically, this involved the signal peptidase cleavage  sites  (dotted  line)  in  (a)  secreted,  (b)  cell  wall‐bound  and  (c)  lipoproteins  based  on  aa  residues  covering  the  predicted ‐4 to +4 positions. The analysis was performed using the Hobohm1 Clustering method with a threshold  of 1, resulting in a P‐weigthed Lullback‐Leibler logo of the respective regions.  

(22)

The Sec pathway 

In bacteria, the most frequently used secretion pathway is the Sec‐dependent protein translocation  pathway. This pathway translocates proteins across the cytoplasmic membrane in an unfolded state.  It has been estimated that ~96% of the proteins exported from the E. coli cytoplasm follow the Sec  pathway (Tsirigotaki et al. 2017). The latter proteins are predominantly destined for the outer surface  of the inner membrane, the periplasm and the outer membrane. For B. subtilis it has been estimated  that ~97% of the proteins with a signal peptide are exported via the Sec pathway (Tjalsma et al. 2000;  Tjalsma et al. 2004). As discussed in the above section on signal peptides, the translocated proteins of  B. subtilis may end up at the outer surface of the inner membrane, in the cell wall or in the extracellular  milieu. The Bacillus cell wall is a porous network, consisting of peptidoglycan, wall‐ and lipo‐teichoic  acids, teichuronic acids and polysaccharides. Although B. subtilis seems to contain the equivalent of a  periplasmic  space  between  the  membrane  and  cell  wall  (Matias  and  Beveridge  2008;  Matias  and  Beveridge 2005), the majority of translocated proteins will end up in the extracellular milieu. Overall,  the cell wall of L. lactis is composed of the same macromolecular components as that of B. subtilis  (Chapot‐Chartier  and  Kulakauskas  2014),  but  it  was  recently  discovered  that  L.  lactis  IL1403  also  contains a linear backbone of repeated α‐l‐Rhamnose disaccharide subunits (Vinogradov et al. 2018).  D‐Alanylation of the lipo‐teichoic acids in the cell wall of L. lactis results in the entrapment of secreted  staphylococcal  nuclease  at  the  cell  surface  meaning  that  the  composition  of  the  cell  wall  is  of  importance for optimal protein secretion (Nouaille et al. 2004). 

Components of the Sec‐dependent secretion machinery can be divided into seven groups: (i) cytosolic  chaperones, (ii) the translocase consisting of the translocation motor (SecA) and components of the  translocation  channel  (SecYEG,  SecDF‐YajC,  SpoIIIJ),  (iii)  signal  peptidases,  (v)  signal  peptide  peptidases, (vi) folding factors that function at the trans‐side of the membrane, and (vii) proteases that  have  a  function  in  protein  quality  control.  The  main  components  of  the  secretion  machinery  of  B.  subtilis have been investigated extensively, and database similarity searches show that many but not  all  of  these  components  are  conserved  in  L.  lactis.  The  similarities  and  differences  in  the  secretion  machinery of both organisms are schematically represented in Figure 5. The Sec and Tat pathways for  protein secretion in B. subtilis are best understood (Tjalsma et al. 2000; Tjalsma et al. 2004; Van Dijl  and  Hecker  2013;  Hohmann  et  al.  2016;  Song  et  al.  2015).  In  contrast  to  the  Sec  pathway,  the  Tat  pathway secretes fully folded proteins. While B. subtilis contains  two distinct  Tat  translocases with  different substrate specificities, the Tat pathway is absent from L. lactis (Goosens et al. 2014; Goosens  and  van  Dijl  2017).  For  this  reason  and  also  because  the  B.  subtilis  Tat  pathway  is  not  yet  readily  accessible for applications in protein production, the following sections of this review are focused on  the Sec pathway only.  

(23)

    Figure 5: Comparison of the main components of the Sec‐dependent protein translocation machinery of B.  subtilis and L. lactis. Overview of components of the Sec‐dependent protein export machinery of (a) B. subtilis  and (b) L. lactis. (i) Upon ribosomal (R) translation, exported membrane and secretory precursor proteins will be  specifically targeted to the Sec pathway by means of their signal peptide (SP). In addition, these proteins will be  recognized by cytoplasmic chaperones and targeting factors, including SRP/FtsY, CsaA and SecA, which may keep  the exported proteins in a translocation‐competent state. (ii) The Sec translocase consists of the ATP‐dependent  SecA motor protein and channel components SecY, SecE and SecG. The Sec translocase of B. subtilis also includes  the proton‐motive force‐dependent translocation motor SecDF‐YajC. Particular membrane proteins require the 

(24)

homologous SpoIIIJ/YqjG or YidC insertases for membrane biogenesis. (iii) Retention of particular proteins in the  membrane  or  cell  wall  may  be  achieved  by  Lgt‐mediated  diacyl‐glyceryl  modification  of  the  lipo‐box  in  lipoproteins,  or  by  sortase  (YhcS/SrtA)‐mediated  transpeptidation  of  the  LPxTG  moiety  to  the  cell  wall  peptidoglycan. (iv) Shortly after or during the translocation process, the precursor protein is cleaved by one of  the type I signal peptidases (SPase; SipS‐V, SipL or SipW), or the type II signal peptidase LspA. (v) TepA, SppA, and  RasP  have  been  implicated  in  the  degradation  of  cleft  signal  peptides.  (vi)  The  folding  of  various  exported  proteins is dependent on the action of the folding catalysts PrsA, PmpA, PrtM, or BdbB‐D. (vii) HtrA, HtrB, HtrC,  WprA and PrsW are implicated in quality control of the membrane and secretory proteins. Of note, HtrA and  HtrB of B. subtilis have a dual localization in the membrane and growth medium. Extracellular proteases AprE,  Bpr, Epr, Mpr, NprB, NprE and Vpr of B. subtilis can have roles in the degradation of secreted proteins. HtrA and  PrtP are the major proteases of L. lactis. Intracellular proteases ClpC‐ClpP, ClpE‐ClpP, ClpX‐ClpP, AprX, IspA and  TepA may be involved in the degradation of mis‐targeted exported proteins. Secretion machinery components  that have been engineered for improved protein secretion are marked in bold. Of note, staphylococcal DsbA in  B. subtilis and B. subtilis SecDF in L. lactis were heterologously expressed in B. subtilis and L. lactis, respectively  (dotted line).     To target proteins specifically into the Sec‐pathway, the N‐terminal signal peptide of a (heterologous)  protein has to be recognized by the secretion machinery. In the case of secreted proteins, the precise  nature  of  soluble  cytoplasmic  factors  that  facilitate  membrane  targeting  is  still  enigmatic  as  a  dedicated factor, such as SecB of E. coli, is apparently absent (Tjalsma et al. 2000). It was therefore  proposed that signal peptide recognition may involve the highly conserved signal recognition particle  (SRP), consisting of the small cytoplasmic RNA (scRNA), the Ffh protein and the histon‐like protein HBsu  (Nakamura et al. 1999; Bunai et al. 1996). Assisted by a homologue of the cytoplasmic SRP receptor,  in bacteria known as FtsY, the SRP could in principle keep the precursor protein in a translocation‐ competent state (Zanen et al. 2006). However, the roles of SRP and FtsY in protein secretion is yet to  be demonstrated unambiguously. This has been difficult, because both SRP and FtsY are, in general, of  major importance for membrane protein biogenesis and, consequently, essential for growth and cell  viability (Kuhn et al. 2017). Thus, the observed effects of SRP or FtsY depletion on protein secretion  may  be  indirectly  caused  by  impaired  membrane  protein  biogenesis  leading  to  membrane  perturbations (Zanen et al. 2006).  

Another  factor  that  has  been  implicated  in  dedicated  membrane  targeting  of  secretory  protein  precursors to the translocase in the membrane is the chaperone CsaA of B. subtilis. Similar to SRP and  FtsY, CsaA is  essential for  growth and  cell viability,  which made  it difficult  to  distinguish direct and  indirect effects following its depletion. Nonetheless, it has been shown that CsaA interacts with the  SecA proteins of B. subtilis and E. coli (Muller, Ozegowski et al. 2000), and is induced in response to  severe secretion stress (Hyyrylainen et al. 2005). In addition, it was shown that CsaA has binding affinity  for the mature part of the secretory protein SdpC (previously known as YvaY) in B. subtilis, but not for  the signal  peptide of  this  protein (Linde et al. 2003; Muller, Bron et al. 2000). Of note, CsaA is not  conserved in L. lactis. Other chaperones with a function in protein folding, that have been implicated  in  protein  secretion  by  B.  subtilis  are  the  heat‐shock  proteins  DnaK  (Hsp70)  and  GroEL  (Hsp60) 

(25)

the proteins to fold properly in an isolated environment (Moliere and Turgay 2009). Most likely, the  effects of dnaK or groEL mutations on protein secretion relate to the general and universally conserved  chaperone functions of these proteins. Lastly, the SecA protein of B. subtilis has been implicated in  targeting secretory precursor proteins to the membrane‐embedded translocase complex. This idea is  based on the observation that B. subtilis contains a pool of soluble SecA, the fact that SecA has affinity  for  signal  peptides  and  secretory  precursors,  and  the  well‐established  function  of  SecA  as  the  translocation motor in the Sec machinery (Bauer et al. 2014; Gouridis et al. 2009; Xie and Dalbey 2018).  The  Sec  machinery  in  the  membrane  consists  of  the  afore‐mentioned  translocation  ATPase  SecA  (Chatzi et al. 2014), the SecYEG protein translocation channel (Zimmer et al. 2008), and the SecDF‐YajC  complex (Bolhuis et al. 1998). Best‐described is the role of SecA and SecYEG in preprotein translocation  across  the  membrane,  where  SecA  drives  the  translocation  of  the  precursor  through  the  SecYEG  channel by cycles of ATP binding and hydrolysis (Tsirigotaki et al. 2017; Prabudiansyah and Driessen  2017;  Kedrov  et  al.  2013).  The  vast  majority  of  the  studies  on  SecA‐SecYEG  function  has  been  performed in E. coli, but based on the high similarity of the respective components, the translocation  mechanism in B. subtilis and L. lactis is most likely well‐conserved. Importantly, SecA, SecY and SecE  are essential for protein translocation, cell growth and cell viability, whereas the non‐essential SecG is  merely  needed  for  efficient  protein  transport.  The  importance  of  the  non‐essential  secretion  machinery  component  SecDF‐YajC  in  protein  translocation  has  been  known  for  a  long  time,  but  its  function was only recently identified through structural analyses. The available data imply that the  SecDF‐YajC complex functions as a proton‐driven secretion motor that allows pre‐protein translocation  to be energized by the proton‐motive force (Furukawa et al. 2017). Of note, SecDF is absent from L.  lactis, whereas a homologue of YajC (WP_003130588) is present in this bacterium. The L. lactis YajC  homologue (110 residues) is somewhat larger than its homologue in B. subtilis (i.e. YrbF, 89 residues).  Two  additional  membrane  proteins  that  associate  with  the  Sec  channel  are  SpoIIIJ  and  YqjG  of  B.  subtilis. These proteins are primarily involved in membrane protein biogenesis (Hennon et al. 2015).  Deletion of spoIIIJ combined with a depletion of yqjG led to reduced levels of protein secretion, but  this effect may be indirectly due to mis‐assembly of membrane proteins (Tjalsma et al. 2003; Saller et  al.  2009).  Intriguingly,  SpoIIIJ  of  B.  subtilis  seems  also  involved  in  the  assembly  of  a  pathway  for  intercellular signaling between the mother cell and the fore spore during early stages of sporulation  (Camp  and  Losick  2008).  A  homologue  of  SpoIIIJ  and  YqjG  exists  in  L.  lactis  (YidC)  but  its  possible  involvement in protein secretion has not been investigated.  

As  mentioned  above,  the  signal  peptide  of  the  exported  protein  is  removed  by  a  signal  peptidase,  which takes place during or shortly after translocation (Tjalsma et al. 1997; van Roosmalen et al. 2004;  Tjalsma et al. 1998). This processing step is necessary to liberate the translocated protein from the  membrane, because the signal peptide would otherwise serve as a membrane anchor (Dalbey et al. 

(26)

2012).  Intriguingly,  B.  subtilis  contains  five  chromosomally‐encoded  signal  peptidases,  known  as  SipSTUVW (Tjalsma et al. 1998). Probably this functional redundancy reflects the lifestyle of B. subtilis,  where high‐level secretion of proteins is needed to retain a competitive advantage over other soil‐ dwelling microorganisms. In contrast, L. lactis has only one signal peptidase‐encoding gene, which is  apparently sufficient to sustain growth on milk and the media used to culture this bacterium in the  laboratory. The cleft signal peptides are, subsequently, degraded by signal peptide peptidases. Three  proteins have been implicated in signal peptide degradation, namely the cytoplasmic protein TepA,  and the membrane proteases RasP and SppA (Zanen et al. 2006; Bolhuis, Tjalsma et al. 1999; Bolhuis,  Matzen et al. 1999; Heinrich et al. 2008; Neef et al. 2017). Mutation of the respective genes impact to  different  extents  on  protein  secretion,  which  would  be  consistent  with  the  expected  phenotype  of  reduced  signal  peptide  turnover.  This  relates  to  previous  findings  showing  that  synthetic  signal  peptides  can  inhibit  the  function  of  SecA  and  signal  peptidase  (Cunningham  and  Wickner  1989;  Wickner et al. 1987). In addition, accumulating signal peptides will probably perturb the integrity of  the membrane. By far the strongest secretion phenotype was observed for a rasP mutation, which  resulted in impaired secretion of the α‐amylases AmyE and AmyL, as well as the serine protease BPN’  (Heinrich et al. 2008; Neef et al. 2017). Importantly, overexpression of rasP facilitated the enhanced  production of two secretory proteins that are otherwise hard to produce in B. subtilis, namely a serine  protease from Bacillus clausii and the α‐amylase AmyAc from Paenibacillus curdlanolyticus. Likewise,  it was shown in B. licheniformis that overexpression of sppA can enhance the production of an amylase  and nattokinase (Cai et al. 2017). Thus, it seems that signal peptide peptidase activity can set a limit to  protein secretion. In this respect, it is noteworthy that RasP cleaves its substrates within the plane of  the membrane, while SppA cleaves substrates at the extracytoplasmic side of the membrane (Dalbey  et al. 2012). While the effects of rasP deletion or overexpression are clear, the precise mechanism by  which RasP impacts on protein secretion remains to be elucidated. This relates to the fact that RasP is  known  to  be  required  for  the  activation  of  the  SigW  stress  response  by  cleavage  of  the  anti‐sigma  factor  RsiW,  while  another  RasP  substrate  (FtsL)  is  involved  in  cell  division  (Heinrich  et  al.  2008;  Bramkamp  et  al.  2006).  Lastly,  depending  on  the  growth  medium  that  was  used,  the  secretion‐ enhancing effect of RasP overproduction was correlated with improved growth of B. subtilis (Neef et  al.  2017).  This  suggests  that,  irrespective  of  RasP’s  mode  of  action,  the  overproduction  of  this  membrane protease enhances the fitness of cells that overproduce secretory proteins. Whether this  is also the case in other cell factories like L. lactis remains to be investigated.  

Upon passage of the Sec channel in an unfolded state, the translocated protein needs to fold into its  stable and active conformation. This is known to require the lipoprotein PrsA, which has both peptidyl‐ prolyl cis/trans isomerase and chaperone activities (Kontinen and Sarvas 1993; Vitikainen et al. 2005; 

(27)

of the dnaK operon with prsA facilitated the overproduction of the α‐amylases AmyL and AmyS. In fact,  this  resulted  in  a  9‐  and  12‐fold  increased  activity  of  AmyL  and  AmyS,  respectively,  while  the  productivity for AmyL and AmyS increased by 13‐ and 17‐fold (Chen et al. 2015). In L. lactis two PrsA  orthologues are present, which are known as PmpA (protein maturation protein A) (Drouault et al.  2002) and PrtM (Venema et al. 2003). Although PmpA does not contain the PPIase domain, it still has  a foldase activity, as was shown by improved production of a lipase from Staphylococcus hyicus upon  pmpA overexpression (Drouault et al. 2002).  In particular, degradation of the lipase was substantially  reduced when pmpA was overexpressed. The PrtM protein is needed for maturation and activation of  the major protease PrtP, both being encoded by the same plasmid. In the absence of PrtM, PrtP is  exported from the L. lactis cells in an inactive state with the pro‐peptide still present. This also shows  that  PmpA  and  PrtM  have  distinct  substrate  specificities,  which  explains  why  PmpA  cannot  compensate for the absence of PrtM in PrtP activation (Venema et al. 2003).  

In  B.  subtilis  three  different  membrane‐bound  thiol‐disulfide  oxidoreductases  (TDORs)  have  been  implicated in the formation of disulfide bonds in translocated proteins. These are the ‘Bacillus disulfide  bond’ (Bdb) proteins BdbB, BdbC and BdbD (Kouwen and van Dijl 2009b; Kouwen and van Dijl 2009a).  A fourth TDOR, known as BdbA, is expressed but no function in disulfide bond formation has been  demonstrated as yet. The bdbA and bdbB genes are located on the SPβ prophage, while bdbC and bdbD  are located on the core genome of B. subtilis (Kouwen et al. 2007). The major oxidative TDOR complex  in B. subtilis consists of BdbC and BdbD, the main substrates being the ComEC and ComGC pseudopilins  that are needed for the binding and uptake of DNA during genetic competence (Meima et al. 2002;  Draskovic  and  Dubnau  2005).  Accordingly,  a  bdbCD  mutant  shows  strongly  reduced  competence.  Furthermore,  it  was  shown  by  mass  spectrometry  that  the  abundance  of  18  membrane‐associated  proteins  was  altered  in  a  bdbCD  double  mutant  compared  to  the  parental  strain  168.  One  of  the  missing proteins was ProA, which is involved in osmoprotection. Consistent with this observation, it  was found that the BdbCD‐deficient strain was more sensitive to osmotic shock (Goosens et al. 2013).  Furthermore, it was shown that BdbB and BdbC cooperate in the oxidative folding of the secreted SPβ‐ encoded  bacteriocin  sublancin  168  (Dorenbos  et  al.  2002).  Lastly,  an  important  finding  for  heterologous protein production was that both BdbC and BdbD are needed for secretion of the alkaline  phosphatase  PhoA  of  E.  coli  in  an  active  and  protease‐resistant  state  (Kouwen  et  al.  2007).  The  secretion  of  this  PhoA  protein  could  be  further  enhanced  by  heterologous  co‐expression  of  staphylococcal DsbA proteins and a reduction of the cytoplasmic levels of the thioredoxin A (Kouwen  et al. 2008). It thus seems that secretion of disulfide‐bonded proteins can be enhanced by increasing  the overall oxidative power of the B. subtilis cell factory. Although L. lactis IL1403 does not contain  homologous TDORs, it is able to produce and secrete disulfide bond‐containing heterologous proteins 

(28)

(Singh et al. 2018). This raises the question whether disulfide bond formation in proteins secreted by  L. lactis is a spontaneous process, or whether it is catalyzed by as yet unidentified TDORs. 

Quality control 

Despite the presence of extracytoplasmic folding catalysts and chaperones, the folding of translocated  proteins may not be 100% efficient. If this is the case, the resulting malfolded proteins may either be  degraded by quality control proteases, such as HtrA, HtrB and WprA, or they may accumulate in the  cell wall environment. The latter was clearly shown for the α‐amylase AmyQ in PrsA‐depleted cells, but  there is also  evidence from pulse‐chase labeling studies  that substantial amounts of α‐amylase are  degraded upon overexpression in wild‐type B. subtilis (Hyyrylainen et al. 2001; Stephenson et al. 2002).  This accumulation of misfolded and/or mislocalized proteins may be detrimental for the bacterial cell  and has, therefore, been termed secretion stress. Like many other cell envelope stresses, also secretion  stress  is  sensed  by  a  dedicated  two‐component  regulatory  system  which  was  named  CssRS  (Hyyrylainen  et  al.  2001).  The  CssRS‐specific  response  is  not  only  triggered  by  secretory  protein  overproduction  but  also  by  heat‐stress,  suggesting  that  the  system  senses  the  accumulation  of  unfolded proteins either directly or indirectly (Darmon et al. 2002). To counteract the stress, CssRS  activates the synthesis of HtrA and HtrB, which have both serine protease and chaperone functions  (Hyyrylainen  et  al.  2001;  Lulko  et  al.  2007;  Antelmann  et  al.  2003).  The  sensor  kinase  CssS,  mainly  located  at  cell  septa  and  the  cell  poles  (Noone  et  al.  2012),  senses  the  secretion  stress  and  subsequently  activates  the  response  regulator  CssR.  The  response  to  this  activation  results  in  autoregulation  of  CssRS,  causing  increased  expression  levels  of  this  kinase  and  response  regulator  together  with  HtrA  and  HtrB.  This  may  either  lead  to  refolding  or  degradation  of  the  protein  that  triggered the CssRS response. N‐terminally cleaved forms of HtrA and HtrB are also detectable in the  growth  medium  (Antelmann et al. 2003), which seems to involve the action  of the intramembrane  protease RasP (Zweers et al. 2009; Dalbey et al. 2012). Strikingly, when the htrA gene is deleted, the  expression of htrB is strongly increased in a CssRS‐dependent manner, and vice versa (Krishnappa et  al.  2014;  Noone  et  al.  2001).  This  suggests  that  a  basal  level  of  HtrA  and  HtrB  is  needed  to  avoid  secretion stress caused by native non‐overexpressed exported proteins, a view that is supported by  the fact that it is difficult to delete both htrA and htrB from the genome of wild‐type B. subtilis. Of  note, the htrC gene, encoding a paralogue of HtrA and HtrB is not part of the CssRS regulon. Yet, it  seems that HtrC can compensate to some extent for the absence of HtrA and HtrB, because the htrC  gene was found to be upregulated in a 10‐fold protease‐negative mutant that lacks also the htrA and  htrB genes (Pohl et al. 2013). The exact mechanism of this htrC upregulation is currently unclear but it  seems to be triggered upon severely reduced extracytoplasmic proteolysis.  

(29)

Interestingly, in L. lactis the major chromosomally‐encoded extracytoplasmic protease is HtrA, while  paralogous HtrB or HtrC proteases are absent. HtrA is responsible for the degradation of AcmA, the  major autolysin of L. lactis, as well as a range of other cell surface proteins (Steen et al. 2005; Guillot  et  al.  2016).  The  degradation  by  HtrA  was  shown  to  be  reduced  upon  D‐Alanine  depletion  of  Lipoteichoic acids of the cell wall (Steen et al. 2005). A recent transcript profiling analysis of S. aureus  gene expression under different stress conditions showed induction of htrA upon stress imposed by  cell wall‐active antibiotics (Utaida et al. 2003). It is however not known whether or how the expression  of  htrA  upon  exposure  to  this  type  of  stress  is  regulated  in  L.  lactis,  and  whether  this  impacts  on  extracellular protein production. In any case, a BlastP search with the CssR or CssS sequences of B.  subtilis did not result in the identification of specific homologs of these proteins in L. lactis.  A highly active protease in the cell wall environment of B. subtilis is the serine protease WprA (wall  protease A). Inactivation of WprA can increase the yield of industrially relevant secreted proteins, like  α‐amylases (Stephenson and Harwood 1998; Stephenson et al. 2002). Recently it was discovered that  WprA also has a major role in the degradation of cell envelope proteins of B. subtilis, in particular PrsA,  which suggests that WprA may be active in close proximity to the Sec channel (Krishnappa et al. 2014).  This view is supported by earlier findings, showing that WprA is responsible for the degradation of an  unstable  mutant  form  of  the  signal  peptidase  SipS  (Bolhuis,  Tjalsma,  Stephenson  et  al.  1999).  In  addition, WprA is needed for functional protein translocation via the Tat translocase, providing further  evidence for its activity in close proximity to membrane‐embedded preprotein translocation systems  (Monteferrante et al. 2013). Of note, the effect of a wprA deletion on the degradation of PrsA was only  observed in mutants lacking genes for additional secreted proteases, suggesting that also some of the  other secreted proteases of B. subtilis are active in the membrane‐cell wall environment. Interestingly,  a single wprA mutation also had a negative effect on the cellular and secreted levels of HtrA and HtrB,  which  was  restored  when  WprA  was  expressed  from  an  inducible  plasmid.  The  latter  observation  suggests  that  the  expression  of  HtrA,  HtrB  and  WprA  is  inter‐related,  but  the  exact  mechanism  is  currently not known. A possible explanation is that the protease WprA also has a chaperone function,  which  is  needed  to  stabilize  HtrA  and  HtrB  when  other  extracytoplasmic  proteases  are  expressed  (Krishnappa et al. 2014). Like HtrB and HtrC, the WprA protease is not conserved in L. lactis, which is  probably one of the reasons why heterologously expressed proteins are fairly stable in this organism.   In addition to WprA, B. subtilis produces at least seven other secreted proteases, named AprE, Bpr,  Epr,  Mpr,  NprB,  NpreE  and  Vpr.  Together,  these  proteases  impact  strongly  on  the  productivity  of  heterologous proteins, which was shown by Pohl et al. by sequentially constructing a set of multiple  protease  mutants  (Pohl  et  al.  2013).  Of  note,  WprA  and  the  minor  extracellular  protease  Epr  of  B.  subtilis  contribute  to  the  prevention  of  autolysis  in  the  stationary  growth  phase  by  controlling  the  cellular level of the autolysins LytE and LytF (Yamamoto et al. 2003). This is probably one of the reasons 

Referenties

GERELATEERDE DOCUMENTEN

As a first approach to determine whether an  acmA htrA  double  mutation can be  beneficial for the  production  of  S.  aureus  antigens,  the  His‐tagged 

with  Pro‐Q®  Diamond  Phosphoprotein  Gel  Stain  (Life  Technologies).  Cytosolic  cell  fractions 

The Gram‐positive bacterium Lactococcus lactis is known to be a suitable host for the expression and  secretion  of  heterologous  proteins  (Pontes  et  al. 

Healthy immune‐competent individuals display differing antibody responses to a vast array of S. aureus 

type (wt) or ΔtepA mutant control cells expressing AmyE, AmyL or BPN’ were grown for 16 hours in MBU medium.  Next,  cells  and  growth  media  were 

In contrast to the non‐producing cells, some differences in HtrA or HtrB production were observed in  amylase‐producing  mutants  that  lack  particular 

upon  RasP  overexpression  may  contribute  to  the  improved  production  of  Properase  and 

geduwd  en  op  die  manier  komt  het  aan  de  buitenkant  van  de  cel  terecht  in  de  ruimte  tussen  de  membraan  en  de  celwand.  Hier  zijn  nog