The role of negative regulators in coordination of the Myxococcus xanthus developmental program

Myxococcus xanthus ist ein Mikroorganismus mit einem komplexen Lebenszyklus, welcher sich durch mutizelluläres Verhalten und Zelldifferenzierung auszeichnet. Durch Nahrungsmangel initiiert durchlaufen die M. xanthus zellen ein Entwicklungsprogramm worin sie unterschiedliche Entwicklungsschicksale haben: Der Großteil der Zellen unterliegt programmiertem Zelltod (PCD), die übrigen Zellen wandern entweder in Fruchtkörper wo sie sich zu Sporen differenzieren oder aggregieren nicht und verbleiben als periphere Zellen. Dieses Entwicklungsprogramm ist von einer Kaskade positiver Entwicklungs-regulatoren kontrolliert, deren Expression positiver Autoregulation unterliegt. Die Untersuchungen diverser Histidinkinasenhomologe (HK) (espA, espC, red und todK) zeigte, dass sie für eine adäquate Progression durch dieses Entwicklungsprogramm erforderlich sind. Mutanten dieser Gene weisen verfrühte Aggregation sowie Sporulation verglichen mit dem Wildtyp auf, bilden unorganisierte Fruchtkörper und weisen Sporen außerhalb dieser Fruchtkörper auf. Diese Beobachtungen legen nahe, dass diese Kinasen als negative Regulatoren (NR) zur Hemmung des Entwicklungsprogrammes wirken. Es ist jedoch unklar ob sie in einem oder mehreren Signaltransduktionswegen wirken und welchen Vorteil sie für das Entwicklungsprogramm darstellen. Mit der Hilfe von epistatischen Analysen zeigten wir, dass diese NRs in drei eigenständigen Signalsystemen organisiert sind, zusammengesetzt aus 1) EspA/EspC, 2) TodK and 3) Red. Übereinstimmend zu diesen Beobachtungen weist die Proteinexpression diverser Entwicklungsregulatorproteine in den NR Mutanten drei unterschiedliche Muster auf: 1) in espA und espC Mutanten akkumulieren die meisten dieser Entwicklungsregulatorproteine früher als im Wildtyp, die Reihenfolge ihrer Produktion bleibt erhalten, 2) in red Mutanten sind die meisten Markerproteine unter representiert ihre Reighenfolge wird jedoch verändert, 3) in todK Mutanten werden gewisse Markerproteine früher produziert und die Reihenfolge der Produktion ist gestört. Phenotypische Analysen von Einfach, Doppelter, Dreifach und Vierfach Mutanten dieser NRs zeigen dass eine stark gegensätzliche Beziehung zwischen der Progressionsgeschwindigkeit durch das Entwicklungsprogramm und der koordinierten Bildung der Fruchtkörper besteht. Der Verlust der koordinierten Fruchtkörperbildung scheint das Resultat von Unkoordiniertheit der Subpopulationen während der Entwicklung zu sein. Um zu verstehen ob die Störung der geordneten Kaskade der Entwicklungs-regulatoren in den red und todK Mutanten durch eine Missregulation der sich entwickelnden Subpopulationen hervorgerufen wird, definierten wir die Proportionen der sich entwickelnden Zell-Subpopulationen sowie die Akkumulation der Haupt-entwicklungsregulatorproteine in diesen. Unsere Analysen zeigen, dass die Zellpopulation sich während der ersten 24 Stunden verdoppelt, dann jedoch einem schlagartigen programmierten Zelltod (PCD) unterliegt. Die aggregierenden- sowie die nicht aggregierenden Subpopulationen weisen unterschiedliche Akkumulationsmuster von Komponenten der Typ IV Pili vermittelten Zellbewegung, sowie Sporen spezifischer Strukturproteine auf. Die meisten der Haupt-entwicklungsregulatorproteine zeigen erst eine allmähliche Akkumulation in der nicht aggregierenden Zellfraktion, wiesen später aber eine schnelle Akkumulation in der aggregierenden Zellfraktion auf. Mittels einer ähnlichen Herangehensweise zeigten wir, dass beide Mutanten nicht in der Lage sind ihre Zellzahl in ähnlicher Weise wie der Wildtyp zu erhöhen, wahrscheinlich weil der PCD früher induziert wird als im Wildtyp. Darüber hinaus, in beiden Mutanten, werden die Entwicklungsregulatorproteine verfrüht in den nicht aggregierenden Zellen induziert und scheitern anschließend daran in den aggregierenden Zellen angemessen zu akkumulieren. Folglich werden viele dieser Zellen sporulieren bevor sie mit der Aggregation abgeschlossen haben, wodurch eine koordinierte Bildung von Fruchtkörpern verhindert wird. Diese Resultate legen nahe, dass TodK, sowie Red die stufenweise Akkumulation von einem oder mehreren Entwicklungskoordinatoren während der Aggregationsphase des Entwicklungs-programmes vermitteln. Zusätzlich legen sie nahe, dass die Koordinierung der Subpopulationen negative regulatorischer Signalsysteme benötigt, die positive autoregulatorische Schleifen dämpfen um eine Kopplung von Sporulation und Aggregation zu erzielen.