Charakterisierung und Expression zweier multimerer Hämolympheproteine der Schnecke Biomphalaria glabrata

Die tropische Süsswasserschnecke Biomphalaria glabrata gehört zu der Familie der Planorbidae, welche als einziges Taxon der Gastropoden Hämoglobin als Sauerstofftransportprotein verwenden. Als Zwischenwirt des Bilharzioseerregers Schistosoma mansoni ist B. glabrata von tropenmedizinischer Interesse. Das extrazelluläre BgHb zeigt sich mit einem Anteil von 95% als Hauptprotein in der Hämolymphe. Dieses setzt sich aus Polypeptidketten mit je 240kDa zusammen. Diese wiederrum lassen sich in 13-Häm-Domänen und eine deutlich kleinere N-terminalen nicht Häm-Domäne untergliedern. Die Sequenzierung von zwei der drei Untereinheiten des BgHb (BgHb1, BgHb2) ermöglichte die rekombinante Expression ganzer Untereinheiten in Insektenzellen, und die Expression einiger BgHb2-Konstrukte in E. coli Zellen. Im Rahmen meiner Arbeit gelang es, BgHb1 in biologisch aktiver Form in Insektenzellen zu exprimieren. Das aus dem Überstand der Insektenzellen aufgereinigte rekombinante BgHb1 zeigte eine immunologische Identität mit nativen BgHb. Strukturelle Analysen belegten zudem die Assemblierung des rekombinanten BgHb1 zu einer dem nativen Protein gleichenden Quartärstruktur. Demnach konnte in meiner Arbeit der Nachweis erbracht werden, dass eine einzelne Isoform in der Lage ist, zur Quartärstruktur zu assemblieren. Zusätzlich ergaben Sauerstoffbindungsanalysen, dass das rekombinante BgHb1 reversibel Sauerstoff binden kann.rnIn den restlichen 5% der B. glabrata Hämolymphe zeigt sich ein rudimentäres Hämocyanin, welches für den Sauerstofftransport keine Rolle zu spielen scheint, und ein rosettenförmiges Protein, das es aufzuklären galt. Durch massenspektrometrische Analysen erhaltene Peptidfragmente zeigten eine hohe Sequenzähnlichkeit zu den löslichen Acetylcholin -Bindeproteinen anderer Mollusken. Diese AChBP zeigen eine hohe Sequenzähnlichkeit zur Ligandenbindedomäne von Rezeptoren der Cys-Loop-Proteinfamilie.rnDatenbankrecherchen deckten die Existenz zweier Isoformen auf

Coating of surfaces of composite materials with enzymatically formed biosilica

Die Bildung kieselsäurehaltiger Spicula in marinen Schwämmen ist nur möglich durch die enzymatische Aktivität des Silicatein- in Verbindung mit der stöchiometrischen Selbstassemblierung des Enzyms mit anderen Schwammproteinen. Die vorliegende Arbeit basiert auf einem biomimetischen Ansatz mit dem Ziel, unterschiedliche Oberflächen für biotechnologische und biomedizinische Anwendungen mit Biosilica und Biotitania zu beschichten und zu funktionalisieren. Für biotechnologische Anwendungen ist dabei das Drucken von Cystein-getaggtem Silicatein auf Gold-Oberflächen von Bedeutung, denn es ermöglichte die Bildung definierter Biotitania-Strukturen (Anatas), welche als Photokatalysator den Abbau eines organischen Farbstoffs bewirkten. Des Weiteren zeigte sich die bio-inspirierte Modifikation von Tyrosin-Resten an rekombinantem Silicatein-(via Tyrosinase) als vielversprechendes Werkzeug zur Beschleunigung der Selbstassemblierung des Enzyms zu mesoskaligen Filamenten. Durch eine solche Modifikation konnte Silicatein auch auf der Oberfläche von anorganischen Partikeln immobilisiert werden, welches die Assemblierung von anorganisch-organischen Verbundwerkstoffen in wäßriger Umgebung förderte. Die resultierenden supramolekularen Strukturen könnten dabei in bio-inspirierten und biotechnologischen Anwendungen genutzt werden. Weiterhin wurde in der vorliegenden Arbeit die Sekundärstruktur von rekombinantem Silicatein- (Monomer und Oligomer) durch Raman Spektroskopie analysiert, nachdem das Protein gemäß einer neu etablierten Methode rückgefaltet worden war. Diese Spektraldaten zeigten insbesondere Änderungen der Proteinkonformation durch Solubilisierung und Oligomerisierung des Enzyms. Außerdem wurden die osteoinduzierenden und osteogenen Eigenschaften unterschiedlicher organischer Polymere, die herkömmlich als Knochenersatzmaterial genutzt werden, durch Oberflächenmodifikation mit Silicatein/Biosilica verbessert: Die bei der Kultivierung knochenbildender Zellen auf derart oberflächenbehandelten Materialien beobachtete verstärkte Biomineralisierung, Aktivierung der Alkalischen Phosphatase, und Ausbildung eines typischen zellulären Phänotyps verdeutlichen das Potential von Silicatein/Biosilica für der Herstellung neuartiger Implantat- und Knochenersatzmaterialien.

Protein-Protein- und Protein-Lipid-Wechselwirkungen beeinflussen die Oligomerisierung und Funktion des E. coli Aquaglyceroporins GlpF

Aquaporine sind hochselektive Transmembrankanäle, die in allen Lebensformen den Fluss von Wasser und kleinen, polaren Molekülen wie Glycerol über Lipidmembranen ermöglichen. Obwohl die Kanalpore für den Substratfluss im Monomer lokalisiert ist, liegen Aquaporine innerhalb biologischer Membranen als Homotetramere vor. Im Rahmen dieser Arbeit wurden proteinbezogene und lipidmembranassoziierte Einflüsse auf die Oligomerisierung und Funktion des bakteriellen Aquaglyceroporins GlpF sowohl in vitro als auch in vivo untersucht. rnDie erhöhte Stabilität der Aquaporinpore sowie Interaktion zwischen den GlpF-Monomeren sind Triebkräfte der Aquaporin-Tetramerisierung. Ferner erfordern die GlpF-Tetramerisierung und -Aktivität bei Abschirmung der Ladung anionischer Lipide und einer minimalen Membrandicke von 27 Å keine spezielle Lipidumgebung. Da anionische Lipide die GlpF-Funktion jedoch störten, kann die GlpF-Aktivität in vivo möglicherweise durch die selektive Anreicherung von anionischen Lipiden in der unmittelbaren Proteinumgebung reguliert werden. Ungünstige Lipid-GlpF-Interaktionen können jedoch in Lipidumgebungen mit hoher Ordnung in der Acylkettenregion entstehen, die zu einer Aggregation der GlpF-Tetramere und reduzierten Aktivität führen. rnFerner wurde die Auswirkung der nephrogenen Diabetes insipidus verursachenden Aquaporin 2-Punktmutation V71M auf die Oligomerisierung und Funktion des homologen, bakteriellen Aquaglyceroporins GlpF untersucht. Da weder die Oligomierisierung noch die Aktivität des homologen, bakteriellen Aquaglyceroporins eingeschränkt sind, beruht der Krankheitsmechanismus der Aquaporin 2-Mutante V71M vermutlich auf einem defekten Transportmechansimus im Menschen. rn

Controlled wetting on silica-based nano- and microstructured surfaces

Der Fokus dieser Doktorarbeit liegt auf der kontrollierten Benetzung von festen Oberflächen, die in vielen Bereichen, wie zum Beispiel in der Mikrofluidik, für Beschichtungen und in biologischen Studien von Zellen oder Bakterien, von großer Bedeutung ist.rnDer erste Teil dieser Arbeit widmet sich der Frage, wie Nanorauigkeit das Benetzungsverhalten, d.h. die Kontaktwinkel und die Pinningstärke, von hydrophoben und superhydrophoben Beschichtungen beeinflusst. Hierfür wird eine neue Methode entwickelt, um eine nanoraue Silika-Beschichtung über die Gasphase auf eine superhydrophobe Oberfläche, die aus rauen Polystyrol-Silika-Kern-Schale-Partikeln besteht, aufzubringen. Es wird gezeigt, dass die Topographie und Dichte der Nanorauigkeiten bestimmt, ob sich die Superhydrophobizität verringert oder erhöht, d.h. ob sich ein Flüssigkeitstropfen im Nano-Wenzel- oder Nano-Cassie-Zustand befindet. Das verstärkte Pinning im Nano-Wenzel-Zustand beruht auf dem Eindringen von Flüssigkeitsmolekülen in die Nanoporen der Beschichtung. Im Nano-Cassie-Zustand dagegen sitzt der Tropfen auf den Nanorauigkeiten, was das Pinning vermindert. Die experimentellen Ergebnisse werden mit molekulardynamischen Simulationen in Bezug gesetzt, die den Einfluss der Oberflächenbeschichtungsdichte und der Länge von fluorinierten Silanen auf die Hydrophobizität einer Oberfläche untersuchen. rnEs wurden bereits verschiedenste Techniken zur Herstellung von transparenten superhydrophoben, d.h. extrem flüssigkeitsabweisenden, Oberflächen entwickelt. Eine aktuelle Herausforderung liegt darin, Funktionalitäten einzuführen, ohne die superhydrophoben Eigenschaften einer Oberfläche zu verändern. Dies ist extrem anspruchsvoll, da funktionelle Gruppen in der Regel hydrophil sind. In dieser Arbeit wird eine innovative Methode zur Herstellung von transparenten superhydrophoben Oberflächen aus Janus-Mikrosäulen mit variierenden Dimensionen und Topographien entwickelt. Die Janus-Säulen haben hydrophobe Seitenwände und hydrophile Silika-Oberseiten, die anschließend selektiv und ohne Verlust der superhydrophoben Eigenschaften der Oberfläche funktionalisiert werden können. Diese selektive Oberflächenfunktionalisierung wird mittels konfokaler Mikroskopie und durch das chemische Anbinden von fluoreszenten Molekülen an die Säulenoberseiten sichtbar gemacht. Außerdem wird gezeigt, dass das Benetzungsverhalten durch Wechselwirkungen zwischen Flüssigkeit und Festkörper in der Nähe der Benetzungslinie bestimmt wird. Diese Beobachtung widerlegt das allgemein akzeptierte Modell von Cassie und Baxter und beinhaltet, dass hydrophile Flächen, die durch mechanischen Abrieb freigelegt werden, nicht zu einem Verlust der Superhydrophobizität führen müssen, wie allgemein angenommen.rnBenetzung kann auch durch eine räumliche Beschränkung von Flüssigkeiten kontrolliert werden, z.B. in mikrofluidischen Systemen. Hier wird eine modifizierte Stöber-Synthese verwendet, um künstliche und natürliche Faser-Template mit einer Silika-Schicht zu ummanteln. Nach der thermischen Zersetzung des organischen Templat-Materials entstehen wohldefinierte Silika-Kanäle und Kanalkreuzungen mit gleichmäßigen Durchmessern im Nano- und Mikrometerbereich. Auf Grund ihrer Transparenz, mechanischen Stabilität und des großen Länge-zu-Durchmesser-Verhältnisses sind die Kanäle sehr gut geeignet, um die Füllgeschwindigkeiten von Flüssigkeiten mit variierenden Oberflächenspannungen und Viskositäten zu untersuchen. Konfokale Mikroskopie ermöglicht es hierbei, die Füllgeschwindigkeiten über eine Länge von mehreren Millimetern, sowie direkt am Kanaleingang zu messen. Das späte Füllstadium kann sehr gut mit der Lucas-Washburn-Gleichung beschrieben werden. Die anfänglichen Füllgeschwindigkeiten sind jedoch niedriger als theoretisch vorhergesagt. Wohingegen die vorhergehenden Abschnitte dieser Arbeit sich mit der quasistatischen Benetzung beschäftigen, spielt hier die Dynamik der Benetzung eine wichtige Rolle. Tatsächlich lassen sich die beobachteten Abweichungen durch einen geschwindigkeitsabhängigen Fortschreitkontaktwinkel erklären und durch dynamische Benetzungstheorien modellieren. Somit löst diese Arbeit das seit langem diskutierte Problem der Abweichungen von der Lucas-Washburn-Gleichung bei kleinen Füllgeschwindigkeiten.

Specific processing of tenascin-C by the metalloprotease meprinbeta neutralizes its inhibition of cell spreading

The metalloprotease meprin has been implicated in tissue remodelling due to its capability to degrade extracellular matrix components. Here, we investigated the susceptibility of tenascin-C to cleavage by meprinbeta and the functional properties of its proteolytic fragments. A set of monoclonal antibodies against chicken and human tenascin-C allowed the mapping of proteolytic fragments generated by meprinbeta. In chicken tenascin-C, meprinbeta processed all three major splicing variants by removal of 10kDa N-terminal and 38kDa C-terminal peptides, leaving a large central part of subunits intact. A similar cleavage pattern was found for large human tenascin-C variant where two N-terminal peptides (10 or 15kDa) and two C-terminal fragments (40 and 55kDa) were removed from the intact subunit. N-terminal sequencing revealed the exact amino acid positions of cleavage sites. In both chicken and human tenascin-C N-terminal cleavages occurred just before and/or after the heptad repeats involved in subunit oligomerization. In the human protein, an additional cleavage site was identified in the alternative fibronectin type III repeat D. Whereas all these sites are known to be attacked by several other proteases, a unique cleavage by meprinbeta was located to the 7th constant fibronectin type III repeat in both chicken and human tenascin-C, thereby removing the C-terminal domain involved in its anti-adhesive activity. In cell adhesion assays meprinbeta-digested human tenascin-C was not able to interfere with fibronectin-mediated cell spreading, confirming cleavage in the anti-adhesive domain. Whereas the expression of meprinbeta and tenascin-C does not overlap in normal colon tissue, inflamed lesions of the mucosa from patients with Crohn's disease exhibited many meprinbeta-positive leukocytes in regions where tenascin-C was strongly induced. Our data indicate that, at least under pathological conditions, meprinbeta might attack specific functional sites in tenascin-C that are important for its oligomerization and anti-adhesive activity.

Crohn's disease-associated polymorphism within the PTPN2 gene affects muramyl-dipeptide-induced cytokine secretion and autophagy

The single nucleotide polymorphism (SNP) rs2542151 within the gene locus region encoding protein tyrosine phosphatase non-receptor type 2 (PTPN2) has been associated with Crohn's disease (CD), ulcerative colitis (UC), type-I diabetes, and rheumatoid arthritis. We have previously shown that PTPN2 regulates mitogen-activated protein kinase (MAPK) signaling and cytokine secretion in human THP-1 monocytes and intestinal epithelial cells (IEC). Here, we studied whether intronic PTPN2 SNP rs1893217 regulates immune responses to the nucleotide-oligomerization domain 2 (NOD2) ligand, muramyl-dipeptide (MDP).

The ubiquitin ligase XIAP recruits LUBAC for NOD2 signaling in inflammation and innate immunity

Nucleotide-binding and oligomerization domain (NOD)-like receptors constitute a first line of defense against invading bacteria. X-linked Inhibitor of Apoptosis (XIAP) is implicated in the control of bacterial infections, and mutations in XIAP are causally linked to immunodeficiency in X-linked lymphoproliferative syndrome type-2 (XLP-2). Here, we demonstrate that the RING domain of XIAP is essential for NOD2 signaling and that XIAP contributes to exacerbation of inflammation-induced hepatitis in experimental mice. We find that XIAP ubiquitylates RIPK2 and recruits the linear ubiquitin chain assembly complex (LUBAC) to NOD2. We further show that LUBAC activity is required for efficient NF-κB activation and secretion of proinflammatory cytokines after NOD2 stimulation. Remarkably, XLP-2-derived XIAP variants have impaired ubiquitin ligase activity, fail to ubiquitylate RIPK2, and cannot facilitate NOD2 signaling. We conclude that XIAP and LUBAC constitute essential ubiquitin ligases in NOD2-mediated inflammatory signaling and propose that deregulation of NOD2 signaling contributes to XLP-2 pathogenesis.

Characterization of Molecular Determinants of the Conformational Stability of Macrophage Migration Inhibitory Factor: Leucine 46 Hydrophobic Pocket

Macrophage Migration Inhibitory Factor (MIF) is a key mediator of inflammatory responses and innate immunity and has been implicated in the pathogenesis of several inflammatory and autoimmune diseases. The oligomerization of MIF, more specifically trimer formation, is essential for its keto-enol tautomerase activity and probably mediates several of its interactions and biological activities, including its binding to its receptor CD74 and activation of certain signaling pathways. Therefore, understanding the molecular factors governing the oligomerization of MIF and the role of quaternary structure in modulating its structural stability and multifunctional properties is crucial for understanding the function of MIF in health and disease. Herein, we describe highly conserved intersubunit interactions involving the hydrophobic packing of the side chain of Leu46 onto the β-strand β3 of one monomer within a hydrophobic pocket from the adjacent monomer constituted by residues Arg11, Val14, Phe18, Leu19, Val39, His40, Val41, Val42, and Pro43. To elucidate the structural significance of these intersubunit interactions and their relative contribution to MIF’s trimerization, structural stability and catalytic activity, we generated three point mutations where Leu46 was replaced by glycine (L46G), alanine (L46A) and phenylalanine (L46F), and their structural properties, stability, oligomerization state, and catalytic activity were characterized using a battery of biophysical methods and X-ray crystallography. Our findings provide new insights into the role of the Leu46 hydrophobic pocket in stabilizing the conformational state of MIF in solution. Disrupting the Leu46 hydrophobic interaction perturbs the secondary and tertiary structure of the protein but has no effect on its oligomerization state.

Commensal and probiotic bacteria influence intestinal barrier function and susceptibility to colitis in Nod1-/-; Nod2-/- mice

The intestinal microbiota regulates key host functions. It is unknown whether modulation of the microbiota can affect a genetically determined host phenotype. Polymorphisms in the Nucleotide oligomerization domain (Nod)-like receptor family confer genetic risk for inflammatory bowel disease (IBD). We investigated whether the intestinal microbiota and the probiotic strain Bifidobacterium breve NCC2950 affect intestinal barrier function and responses to intestinal injury in Nod1(-/-); Nod2(-/-) mice.

The supramolecular assemblies of voltage-dependent anion channels in the native membrane

Voltage-dependent anion channels (VDACs) are major constituents of the outer mitochondrial membrane (OMM). These primary transporters of nucleotides, ions and metabolites mediate a substantial portion of the OMM molecular traffic. To study the native supramolecular organization of the VDAC, we have isolated, characterized and imaged OMMs from potato tubers. SDS-PAGE and mass spectrometry of OMMs revealed the presence of the VDAC isoforms POM34 and POM36, as well as the translocase of the OMM complex. Tubular two-dimensional crystals of the VDAC spontaneously formed after incubation of OMMs for two to three months at 4 degrees C. Transmission electron microscopy revealed an oblique lattice and unit cells housing six circular depressions arranged in a hexagon. Atomic force microscopy of freshly isolated OMMs demonstrated (i) the existence of monomers to tetramers, hexamers and higher oligomers of the VDAC and (ii) its spatial arrangement within the oligomers in the native membrane. We discuss the importance of the observed oligomerization for modulation of the VDAC function, for the binding of hexokinase and creatine kinase to the OMM and for mitochondria-mediated apoptosis.

PU.1 binding to the p53 family of tumor suppressors impairs their transcriptional activity

The transcription factor PU.1 is essential for terminal myeloid differentiation, B- and T-cell development, erythropoiesis and hematopoietic stem cell maintenance. PU.1 functions as oncogene in Friend virus-induced erythroleukemia and as tumor suppressor in acute myeloid leukemias. Moreover, Friend virus-induced erythroleukemia requires maintenance of PU.1 expression and the disruption of p53 function greatly accelerates disease progression. It has been hypothesized that p53-mediated expression of the p21(Cip1) cell cycle inhibitor during differentiation of pre-erythroleukemia cells promotes selection against p53 function. In addition to the blockage of erythroblast differentiation provided by increased levels of PU.1, we propose that PU.1 alters p53 function. We demonstrate that PU.1 reduces the transcriptional activity of the p53 tumor suppressor family and thus inhibits activation of genes important for cell cycle regulation and apoptosis. Inhibition is mediated through binding of PU.1 to the DNA-binding and/or oligomerization domains of p53/p73 proteins. Lastly, knocking down endogenous PU.1 in p53 wild-type REH B-cell precursor leukemia cells leads to increased expression of the p53 target p21(Cip1).

Efficient coupling of transducin to monomeric rhodopsin in a phospholipid bilayer

G protein-coupled receptors (GPCRs) are seven transmembrane domain proteins that transduce extracellular signals across the plasma membrane and couple to the heterotrimeric family of G proteins. Like most intrinsic membrane proteins, GPCRs are capable of oligomerization, the function of which has only been established for a few different receptor systems. One challenge in understanding the function of oligomers relates to the inability to separate monomeric and oligomeric receptor complexes in membrane environments. Here we report the reconstitution of bovine rhodopsin, a GPCR expressed in the retina, into an apolipoprotein A-I phospholipid particle, derived from high density lipoprotein (HDL). We demonstrate that rhodopsin, when incorporated into these 10 nm reconstituted HDL (rHDL) particles, is monomeric and functional. Rhodopsin.rHDL maintains the appropriate spectral properties with respect to photoactivation and formation of the active form, metarhodopsin II. Additionally, the kinetics of metarhodopsin II decay is similar between rhodopsin in native membranes and rhodopsin in rHDL particles. Photoactivation of monomeric rhodopsin.rHDL also results in the rapid activation of transducin, at a rate that is comparable with that found in native rod outer segments and 20-fold faster than rhodopsin in detergent micelles. These data suggest that monomeric rhodopsin is the minimal functional unit in G protein activation and that oligomerization is not absolutely required for this process.

Meprins, membrane-bound and secreted astacin metalloproteinases

The astacins are a subfamily of the metzincin superfamily of metalloproteinases. The first to be characterized was the crayfish enzyme astacin. To date more than 200 members of this family have been identified in species ranging from bacteria to humans. Astacins are involved in developmental morphogenesis, matrix assembly, tissue differentiation and digestion. Family members include the procollagen C-proteinase (BMP1, bone morphogenetic protein 1), tolloid and mammalian tolloid-like, HMP (Hydra vulgaris metalloproteinase), sea urchin BP10 (blastula protein) and SPAN (Strongylocentrotus purpuratus astacin), the 'hatching' subfamily comprising alveolin, ovastacin, LCE, HCE ('low' and 'high' choriolytic enzymes), nephrosin (from carp head kidney), UVS.2 from frog, and the meprins. In the human and mouse genomes, there are six astacin family genes (two meprins, three BMP1/tolloid-like, one ovastacin), but in Caenorhabditis elegans there are 40. Meprins are the only astacin proteinases that function on the membrane and extracellularly by virtue of the fact that they can be membrane-bound or secreted. They are unique in their domain structure and covalent subunit dimerization, oligomerization propensities, and expression patterns. They are normally highly regulated at the transcriptional and post-translational levels, localize to specific membranes or extracellular spaces, and can hydrolyse biologically active peptides, cytokines, extracellular matrix (ECM) proteins and cell-surface proteins. The in vivo substrates of meprins are unknown, but the abundant expression of these proteinases in the epithelial cells of the intestine, kidney and skin provide clues to their functions.

Supramolecular Organization of Heptapyrenotide Oligomers—An in Depth Investigation by Molecular Dynamics Simulations

We present a molecular modeling study based on ab initio and classical molecular dynamics calculations, for the investigation of the tridimensional structure and supramolecular assembly formation of heptapyrenotide oligomers in water solution. Our calculations show that free oligomers self-assemble in helical structures characterized by an inner core formed by π- stacked pyrene units, and external grooves formed by the linker moieties. The coiling of the linkers has high ordering, dominated by hydrogen-bond interactions among the phosphate and amide groups. Our models support a mechanism of longitudinal supramolecular oligomerization based on interstrand pyrene intercalation. Only a minimal number of pyrene units intercalate at one end, favoring formation of very extended longitudinal chains, as also detected by AFM experiment. Our results provide a structural explanation of the mechanism of chirality amplification in 1:1 mixtures of standard heptapyrenotides and modified oligomers with covalently linked deoxycytidine, based on selective molecular recognition and binding of the nucleotide to the groove of the left-wound helix.

AGROBACTERIUM VIRB10 CONTRIBUTIONS TO TYPE IV SUBSTRATE SECRETION, T-PILUS BIOGENESIS, AND OUTER MEMBRANE PORE FORMATION

The VirB/D4 type IV secretion system (T4SS) of Agrobacterium tumefaciens functions to transfer substrates to infected plant cells through assembly of a translocation channel and a surface structure termed a T-pilus. This thesis is focused on identifying contributions of VirB10 to substrate transfer and T-pilus formation through a mutational analysis. VirB10 is a bitopic protein with several domains, including a: (i) cytoplasmic N-terminus, (ii) single transmembrane (TM) α-helix, (iii) proline-rich region (PRR), and (iv) large C-terminal modified β-barrel. I introduced cysteine insertion and substitution mutations throughout the length of VirB10 in order to: (i) test a predicted transmembrane topology, (ii) identify residues/domains contributing to VirB10 stability, oligomerization, and function, and (iii) monitor structural changes accompanying energy activation or substrate translocation. These studies were aided by recent structural resolution of a periplasmic domain of a VirB10 homolog and a ‘core’ complex composed of homologs of VirB10 and two outer membrane associated subunits, VirB7 and VirB9. By use of the substituted cysteine accessibility method (SCAM), I confirmed the bitopic topology of VirB10. Through phenotypic studies of Ala-Cys insertion mutations, I identified “uncoupling” mutations in the TM and β-barrel domains that blocked T-pilus assembly but permitted substrate transfer. I showed that cysteine replacements in the C-terminal periplasmic domain yielded a variety of phenotypes in relation to protein accumulation, oligomerization, substrate transfer, and T-pilus formation. By SCAM, I also gained further evidence that VirB10 adopts different structural states during machine biogenesis. Finally, I showed that VirB10 supports substrate transfer even when its TM domain is extensively mutagenized or substituted with heterologous TM domains. By contrast, specific residues most probably involved in oligomerization of the TM domain are required for biogenesis of the T-pilus.