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Titel: Kälteschockadaptation von Bacillus subtilis: Identifizierung kälteinduzierter Gene und Proteine und Untersuchung ihrer kältespezifischen Funktion und Regulation
Autor: Beckering, Carsten
Weitere Beteiligte: Marahiel, Mohamed (Prof. Dr.)
Erscheinungsjahr: 2004
URI: https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2004/0107
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2004-01074
DOI: https://doi.org/10.17192/z2004.0107
DDC: 540 Chemie
Titel(trans.): Cold-shock Adaptation of Bacillus subtilis: Identification of Cold-induced Genes and Proteins and Investigation of their Cold-specific Function

Dokument

Schlagwörter:
helicases, desaturase, coldshock, Helikasen, Kälteschock, Desaturase, Bacillus subtilis, Bacillus subtilis

Zusammenfassung:
Die Kälteschockadaptation erfolgt in Mikroorganismen nach einem rapiden Abfall der Umgebungstemperatur. Ein Temperaturschock von 37°C auf 15°C hat sich zur Untersuchung der Kälteschockantwort in mesophilen Bakterien durchgesetzt. B. subtilis reagiert auf diesen Kälteschock mit der globalen Veränderung seiner Genexpression. Diese Veränderung führt in dem kältegeschockten Bakterium zu einer Anpassung seiner Zellphysiologie, die ihm das Wachstum bei niedrigen Temperaturen ermöglicht. Dabei schützt B. subtilis die Funktion seiner kälteempfindlichen Systeme durch die rasche Induktion kälteprotektiver Proteine. Zu den bekannten kälteempfindlichen Systemen in B. subtilis gehören die Translationsinitiation und die Proteinbiosynthese am Ribosom, die Faltung von mRNA durch die Bildung kältestabilisierter Sekundärstrukturen und die abnehmende Fluidität der Zellmembran und dadurch bedingten Funktionsverlust der membrangekoppelten Prozesse. In dieser Arbeit wurden bislang unbekannte kälteinduzierte Proteine und Gene aus B. subtilis durch systematische Untersuchungen mittels zweidimensionaler Gelelektrophorese und genomweiter Transkriptionsanalyse identifiziert. Diese kälteinduzierten Gene wurden auf eine Beteiligung an der Kälteschockanpassung untersucht. Ein kältespezifischer Phänotyp konnte für eine DyplP-Mutante und eine DyqfR/DydbR-Doppelmutante beobachtet werden. Das yplP-Gen kodiert für einen von fünf homologen sL-abhängigen Transkriptionsaktivatoren in B. subtilis, dessen Rolle für die Kälteschockanpassung noch nicht geklärt werden konnte. Die Gene yqfR und ydbR kodieren für DEAD-Box mRNA-Helikasen, die bereits in mehreren Organismen als kälteinduzierte Proteine identifiziert wurden. In dieser Arbeit durchgeführte fluoreszenzmikroskopische Aufnahmen von GfP-Fusionen konnten die transkriptionsabhängige Kolokalisierung der Helikasen YdbR und YqfR aus B. subtilis mit den CSP und Ribosomen an den Zellpolen zeigen. Ausgehend von diesem Experiment wird ein Modell vorgeschlagen, in dem die RNA-Helikasen kältestabilisierte Sekundärstrukturen von mRNA entwinden. Danach kann die mRNA von den CSP gebunden werden, wodurch die Translationsinitiation bei niedrigen Temperaturen erleichtert wird. Außerdem wurde in dieser Arbeit die Regulation der Fettsäuredesaturase Des aus B. subtilis untersucht. Die Desaturase Des erhöht die Fluidität der Zellmembran nach Kälteschock durch die Synthese ungesättigter Fettsäuren in der Membran. Genetische Experimente konnten zeigen, dass die Transkription des des Gens durch das temperatursensitive Zweikomponentensystem DesKR aus B. subtilis reguliert wird. Die kältespezifische Regulation weiterer Gene durch DesKR konnte ausgeschlossen werden.

Summary:
Unknown cold-induced proteins and genes of Bacillus subtilis were identified by two-dimensional gelelectrophoresis and genomewide transcriptional analysis. The role of the cold-induced genes in the adaptation to low temperature was investigated. A cold-specific phenotype was observed for a yplP deletion mutant and a yqfR/ydbR double-deletion mutant. The yplP-gene encodes a sigL-dependent transcriptional activators in B. subtilis. The YplP-regulon is currently unknown. The genes yqfR and YdbR encode for DEAD-box mRNA-helicases, which were already identified as cold-induced proteins in several microorganisms. It could be demonstrated by fluorescence-microscopy of helicase-gfp fusions that the RNA helicase co-localize at the cell-poles with coldshock-proteins and ribosomes, depending on active transcription. Based on this experiment the following model was proposed: The RNA-helicases unwind cold-stabilized secondary structures of mRNA. After that the coldshock-proteins bind to the mRNA to prevent refolding of mRNA, resulting in efficient initiation of translation at low temperatures. In addition the regulation of the fatty-acid desaturase Des of Bacillus subtilis was investigated. The desaturase Des maintains the fluidity of the membrane after coldshock by synthesis of unsaturated fatty-acids in the membrane. Genetic studies could show that the transcription of the des-gene is regulated by the temperature-sensitive two-component system DesKR of Bacillus subtilis. The cold-specific regulation of other genes by DesKR could be excluded.


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