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Titel:Heterogeneity of gene expression during biofilm formation in Escherichia coli
Autor:Lamprecht, Olga
Weitere Beteiligte: Sourjik, Victor (Prof.)
Veröffentlicht:2018
URI:http://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2019/0105
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2019-01057
DOI: https://doi.org/10.17192/z2019.0105
Publikationsdatum:2019-11-05
DDC: Biowissenschaften, Biologie
Titel(trans.):Heterogenität der Genexpression während der Biofilmformation von Escherichia coli

Dokument

Schlagwörter:
E. coli, Flagellen, Curli, curli, biofilm, Biofilm, Heterogenität, heterogeneity, flagella, E. coli

Summary:
Many bacteria primarily exist in nature as structured multicellular communities, so called biofilms. Biofilm formation is a highly regulated process that includes the transition from the motile planktonic to sessile biofilm lifestyle. Cellular differentiation within a biofilm is a commonly accepted concept but it remains largely unclear when, where and how exactly such differentiation arises. In this work fluorescent transcriptional reporters were used to quantitatively analyze spatiotemporal expression patterns of several groups of genes during the formation of submerged Escherichia coli biofilms in an open static system. We first confirm that formation of such submerged biofilms as well as pellicles at the liquid-air interface requires the major matrix component, curli, and flagella-mediated motility. We further demonstrate that in this system, diversification of gene expression leads to emergence of at least three distinct subpopulations of E. coli, which differ in their levels of curli and flagella expression, and in the activity of the stationary phase sigma factor sigma S. Our data reveal mutually exclusive expression of curli fibers and flagella at the single cell level, with high curli levels being confined to dense cell aggregates/microcolonies and flagella expression showing an opposite expression pattern. Furthermore, our results suggest direct interaction between flagella appendages and curli fibers, which can complement each other in trans during biofilm structure development. Interestingly, despite the known sigma S-dependence of curli induction, there was only a partial correlation between the sigma S activity and curli expression, with subpopulations of cells having high sigma S activity but low curli expression and vice versa. Finally, consistent with different physiology of the observed subpopulations, we show striking differences between the growth rates of cells within and outside of aggregates. We provide strong evidence that flagellar expression in surface-attached biofilm cells is triggered by inhibition of flagellar rotation via flagellar stator MotAB upon surface sensing. Importantly, our results suggest that flagellar expression in surface-attached cells might serve for holding the biofilm structure on the surface, since downregulation of flagellar expression leads to a detachment of E. coli biofilms under prolonged starvation conditions. Further, we show that differentiation into curli expressing and non-expressing cells arises also in isotropic E. coli planktonic cells upon entry into the stationary phase. Our results indicate that this switch might be triggered by variations in growth rate of individual cells under starving conditions, with a subpopulation of slower growing cells expressing curli. Finally, this work revealed important new details of molecular mechanisms and the physiological relevance underlying the bimodal curli expression.

Zusammenfassung:
Viele Bakterien existieren in der Natur hauptsächlich als strukturierte multizelluläre Gemeinschaften, sogenannte Biofilme. Biofilmentwicklung ist ein höchst regulierter Prozess, welcher den Übergang von beweglicher einzelliger zu sesshafter mehrzelliger Lebensweise einschließt. Die zelluläre Differenzierung innerhalb eines Biofilms ist ein allgemein anerkanntes Konzept, dennoch bleibt es weiterhin unklar wann, wo und wie genau eine solche Differenzierung stattfindet. In dieser Arbeit wurden fluoreszente transkriptionelle Reporterproteine verwendet, um die räumlich-zeitlichen Expressionsmuster einiger Gengruppen während der Entwicklung von submersen Escherichia coli Biofilmen auf Einzelzellebene quantitativ zu analysieren. Zuerst bestätigen wir, dass die Bildung solch untergetauchter Biofilme sowie Pellikel an der Flüssigkeit- Luft-Grenzfläche, den Hauptmatrixkomponenten Curli, und die flagellenvermittelte Motilität erfordert. Wir belegen weiterhin, dass in unserem offenen statischen System die Diversifizierung der Genexpression zu einem Auftreten von mindestens drei Subpopulationen von E. coli führt, die sich in ihren Curli- und Flagellenexpressionsstufen sowie in der Aktivität des stationären Factors Sigma S unterscheiden. Unsere Daten zeigen eine sich gegenseitig ausschließende Expression von Curli-Fasern und Flagellen auf der Einzelzellebene, mit hoher Curliexpression in den dichten Zellaggregaten/Mikrokolonien und Flagellenexpression in den Einzel- und oberflächenassoziierten Zellen. Darüber hinaus deuten unsere Ergebnisse auf eine direkte Interaktion zwischen Flagellen und Curli hin, die sich während der Entwicklung von Biofilmstrukturen gegenseitig ergänzen können. Interessanterweise, trotz der bekannten Sigma S-Abhängigkeit der Curliinduktion, gab es nur eine partielle Korrelation zwischen der Sigma S-Aktivität und der Curliexpression. Es wurden Subpopulationen von Zellen mit einer hohen Sigma S- jedoch einer niedrigen Curli-Aktivität und umgekehrt detektiert. Schlussendlich zeigen wir auffallende Unterschiede zwischen den Wachstumsraten von Zellen innerhalb und außerhalb der Aggregate, was im Einklang mit der unterschiedlichen Physiologie der beobachteten Subpopulationen steht. Außerdem liefern wir Beweise dafür, dass die Flagellenexpression in den oberflächenassoziierten Biofilmzellen durch die MotAB-vermittelte Hemmung der Flagellenrotation ausgelöst wird. Weiterhin deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass die Flagellenexpression in diesen Zellen der Anhaftung der Biofilmstrukturen an der Oberfläche dienen könnte, da eine Herunterregulierung der Flagellenexpression unter anhaltenden Hungerbedingungen zu einer Ablösung von E. coli Biofilmen führte. Zudem zeigen wir, dass eine Differenzierung in Curli-exprimierende und nicht-exprimierende Zellen auch in den isotropisch planktonischen Zellkulturen von E. coli beim Erreichen der stationären Wachstumsphase auftritt. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass diese Ausdifferenzierung durch Variationen in der Wachstumsrate einzelner Zellen unter hungernden Bedingungen ausgelöst werden könnte, wobei eine Subpopulation von langsamer wachsenden Zellen Curli exprimiert. Schlussendlich wurden wichtige neue Details zu molekularen Mechanismen sowie die unterliegende physiologische Relevanz der bimodalen Curliexpression enthüllt.


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