Chromosome arrangement and dynamics in the budding bacterium Hyphomonas neptunium

Faithful chromosome replication and segregation are essential for every living cell and must be tightly coordinated with other cell cycle events such as cell division. Our knowledge about prokaryotic chromosome dynamics is based on studies of only a few model organisms that divide by binary fission...

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Main Author: Jung, Alexandra
Contributors: Thanbichler, Martin (Prof. Dr.) (Thesis advisor)
Format: Dissertation
Language:English
Published: Philipps-Universität Marburg 2016
Biologie
Subjects:
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Table of Contents: Korrekte Chromosomenreplikation und die akkurate Segregation des Chromosoms sind essentiell für alle lebenden Zellen und müssen gut mit anderen Prozessen des Zellzyklus, wie z.B. der Zellteilung, abgestimmt sein. Unser bisheriges Wissen über prokaryotische Chromosomendynamik basiert auf Studien einiger weniger Modellorganismen, welche sich durch binäre Teilung fortpflanzen und meist eine stäbchenförmige Morphologie besitzen. Um unser Wissen über bakterielle Chromosomensegregation zu erweitern, wurde vor kurzem in unserem Labor begonnen, die Chromosomendynamik im marinen Alphaproteobakterium Hyphomonas neptunium zu untersuchen. H. neptunium teilt sich durch Knospung an der Stielspitze und verwendet seinen Stiel als reproduktive Struktur. Diese Art der Teilung unterscheidet H. neptunium von den bisher untersuchten Modellorganismen und macht es zu einem interessanten Kandidaten für die Analyse der Chromosomendynamik in Bakterien, da das duplizierte Chromosom zunächst den Stiel durchqueren muss, um die neu gebildete Tochterzelle zu erreichen. Neueste Studien zeigen, dass die Chromosomensegregation in einem einzigartigen, zweistufigen Mechanismus abzulaufen scheint. Zunächst wird die duplizierte centromer-ähnliche Region innerhalb der Mutterzelle, möglicherweise durch einen ParABS-abhängigen Mechanismus, an deren gestielten Pol segregiert und verweilt dort, bis sich eine sichtbare Knospe an der Stielspitze gebildet hat. Anschließend wird die centromer-ähnliche Region in einem zweiten Schritt durch den Stiel in die Knospe transportiert. Verschiedene Anhaltspunkte deuten darauf hin, dass dieser zweite Segregationsschritt durch einen neuen, bisher unbekannten Mechanismus vermittelt wird. Chromosomenreplikation und -segregation finden in Bakterien gewöhnlich gleichzeitig statt. Der zweiteilige Segregationsmechanismus lässt allerdings darauf schließen, dass die Chromosomenreplikation und die Segregation durch den Stiel, ähnlich wie bei der eukaryotischen Mitose, zeitlich entkoppelt sind. In dieser Arbeit wurde die Rolle des ParABS-Systems in der Chromosomensegregation in H. neptunium genauer analysiert. Es konnte gezeigt werden, dass das ParABS-System essentiell für die Lebensfähigkeit der Zelle sowie für die Chromosomensegregation ist. Die Beeinträchtigung der Funktionalität von ParA führte zu einer Veränderung der Zellmorphologie sowie zu einer unvollständigen Segregation der centromer- ähnlichen Region innerhalb der Mutterzelle, was dazu führte, dass auch die Segregation durch den Stiel nicht mehr stattfand. Dies zeigt, dass das ParABS-System die Segregation der centromer-ähnlichen Region in der Mutterzelle vermittelt und dass es sich bei der Segregation innerhalb der Mutterzelle und durch den Stiel um sequenzielle Prozesse handelt. Weiterhin wurde die Rolle von PopZ und SMC in H. neptunium untersucht, da diese Proteine in anderen Bakterien eine zum Teil wichtige Rolle in der Chromosomensegregation spielen. PopZ lokalisiert in der entstehenden Knospe am Pol gegenüber des Stiels und es konnte gezeigt werden, dass es eine untergeordnete Rolle in der Positionierung der ParABSSegregationsmaschinerie spielt. SMC scheint essentiell in H. neptunium zu sein und zeigt ein ähnliches Lokalisationsmuster wie ParB (centromer-ähnliche Region). Die Analyse sieben verschiedener genomischer Loci in neugeborenen Zellen zeigte, dass das Chromosom entlang der Längsachse der Zelle ausgerichtet ist, wobei die centromer-ähnliche Region am flagellierten und die Terminusregion am gegenüberliegen Zellpol liegt. Die anderen Loci zeigen eine lineare Anordnung zwischen den Zellpolen, welche mit ihrer Position in der chromosomalen Sequenz korreliert. Weiterhin wurde gezeigt, dass der ParB/parS-Komplex als erstes innerhalb der Mutterzelle und anschließend durch den Stiel segregiert wird, was die zentrale Rolle des Komplexes im Segregationsprozess verdeutlicht. Wie bereits erwähnt, deutet der zweiteilige Segregationsmechanismus auf eine zeitliche Entkopplung von Chromosomenreplikation und -segregation durch den Stiel hin. Um die Koordination dieser Prozesse genauer zu untersuchen, wurden Fluoreszenzfusionen verschiedener Replisomkomponenten generiert und deren Lokalisationsmuster analysiert. Die Replikationsmaschinerie zeigte eine dynamische Lokalisation innerhalb der Mutterzelle: in Zellen, die sich sehr wahrscheinlich am Übergang vom Schwärmer- zum Stielzellstadium befinden, sowie in gestielten Zellen wird das Replisom am Pol gegenüber des (zukünftigen) Stiels assembliert und bewegt sich über die Zellmitte in die Nähe des gestielten Pols, wo es anschließend wieder deassembliert wird. Dieses Lokalisationsmuster korreliert mit der Lage der Ursprungs- und Terminusregion innerhalb der Zelle. Die beiden Replisomen scheinen unabhängig voneinander entlang der beiden Chromosomenarme zu wandern. Die Kolokalisation von ParB (centromer-ähnliche Region) und DnaN (Replisom) zeigte, dass häufig ein Großteil des Chromosoms bereits repliziert ist, bevor dessen Segregation durch den Stiel erfolgt. Dies bedeutet, dass die Replikation zum Teil zeitlich von der Segregation durch den Stiel entkoppelt ist. Zusammenfassend erweitern diese Beobachtungen unseren Einblick in die Chromosomendynamik in H. neptunium und deuten darauf hin, dass dieser Organismus bereits beschriebene Segregationsmechanismen, wie das ParABS-System, mit einem neuartigen Mechanismus kombiniert, den es aufzuklären gilt.