Roles of the second messenger cyclic di-GMP in environmental adaptation of Sinorhizobium meliloti

Bakterien haben diverse Systeme zur Verarbeitung von Umweltsignalen entwickelt, um zelluläre Signalwege unmittelbar aufeinander abstimmen und sich an wechselnde Umweltbedingungen anpassen zu können. Auf dem fortschreitenden Gebiet der Nukleotid-basierten sekundären Botenstoffe stellte sich zyklisches dimeres Guanosinmonophosphat (c-di-GMP) als ein regulatorisches Schlüsselmolekül heraus, dessen zugrunde liegende Signalnetzwerke Veränderungen in Anpassungsformen und Lebensweisen steuern. Enzyme, welche die Reaktionen zur Synthese (Diguanylatzyklasen, DGCs) und zum Abbau (Phosphodiesterasen, PDEs) von c-di-GMP katalysieren, sind nahezu allgegenwärtig im Reich der Bakterien. Trotz der zahlreichen Untersuchungen zum besseren Verständnis der Funktion von c-di-GMP in Bakterien ist das Wissen über die Integration c-di-GMP-basierter Signalnetzwerke in andere regulatorische Netzwerke, das molekulare Inventar von c-di-GMP-Rezeptoren und die molekularen Mechanismen, welche der c-di-GMP-abhängigen Regulation zugrunde liegen, begrenzt. In dieser Arbeit wurde die Funktion von c-di-GMP bei der Umweltanpassung des bodenbewohnenden Bakteriums Sinorhizobium meliloti untersucht, einem stäbchen-förmigen Alphaproteobakterium der Ordnung Rhizobiales, welches entweder in freilebenden Stadien oder in Symbiose mit hülsenfruchtartigen Wirtspflanzen vorkommt. Das Genom von S. meliloti kodiert für 22 Proteine, welche potenziell an der Synthese, dem Abbau und der Perzeption von c-di-GMP beteiligt sind. Einfachmutanten für 21 der kodierenden Gene wiesen keine deutlichen Veränderungen der Oberflächenanheftung, der Flagellen-basierten Motilität oder der Biosynthese von Exopolysacchariden (EPSs) auf. Darüber hinaus zeigten die phänotypischen Tests für S. meliloti c-di-GMP0 Mutanten weder eine Beeinträchtigung in der Lebensfähigkeit noch einen Effekt in ihrer symbiontischen Wirksamkeit auf. Die durch Überproduktion verschiedener DGCs erzeugten Anstiege der intrazellulären c-di-GMP-Konzentration bewirkten hingegen eine vermehrte Produktion von Bestandteilen der extrazellulären Matrix, eine verstärkte Oberflächenanheftung der Bakterien, eine verringerte Flagellen-basierte Motilität sowie eine reduzierte Akkumulation von extrazellulären N-Acyl-Homoserin-Laktonen (AHLs). Die Identifizierung von genetischen Faktoren, welche für die beobachteten phänotypischen Veränderungen verantwortlich waren, offenbarte eine c-di-GMP-abhängige Regulation auf transkriptioneller sowie posttranslationaler Ebene. Der SMc01790-SMc01796 Locus, welcher homolog zum uppABCDEF Gen-Cluster in Agrobacterium tumefaciens ist und hier zur Biosynthese eines unipolaren Polysaccharids (UPP) benötigt wird, stellte sich als verantwortlich für die c-di-GMP-abhängige Oberflächenanheftung heraus, wohingegen das einzelne PilZ Domäne-Protein SMc00507 (umbenannt zu McrA) als c-di-GMP-Rezeptor in der Regulation der Flagellen-basierten Motilität fungierte. Eine Transkriptomanalyse für S. meliloti mit erhöhten c-di-GMP-Konzentrationen deckte eine Hochregulierung des uxs1-SMb20463 Gen-Clusters auf, welches für die Biosynthese eines extrazellulären Polysaccharids (benannt als CUP) benötigt wird. Infolge dieser Entdeckung wurde für den AraC-ähnlichen Transkriptionsaktivator SMb20457 (umbenannt zu CuxR) ein Bindungsmechanismus für c-di-GMP aufgedeckt, welcher demjenigen von PilZ-Proteinen ähnelt und somit ein Beispiel für konvergente Evolution in zwei unterschiedlichen Proteinfamilien lieferte. Die während dieser Arbeit erzielten Ergebnisse zeigen, dass das c-di-GMP-Netzwerk von S. meliloti in andere zelluläre Systeme, im Speziellen in das regulatorische Netzwerk für die gegenläufige Kontrolle der EPS-Biosynthese und Motilität, eingegliedert ist. Beispielhaft dafür war die entgegenwirkende Regulation der CuxR-vermittelten Aktivierung der CUP-Produktion durch den globalen Repressor MucR. Darüber hinaus bewirkten MucR sowie der AHL-sensitive Masterregulator ExpR eine Reduktion der UPP-vermittelten Oberflächenanheftung bei erhöhten c-di-GMP-Konzentrationen. Außerdem wurde der essenziellen PDE SMc00074 (umbenannt zu GdcP) eine neue zelluläre Funktion zugeordnet, welche im Zusammenhang mit der Biogenese der Zellhülle von Alpharhizobien steht. Insgesamt zeigte die c-di-GMP-abhängige Regulation mehrerer zellulärer Funktionen, dass erhöhte c-di-GMP-Konzentrationen eine sessile Lebensweise von freilebenden S. meliloti begünstigt. Die Umstellung motiler Bakterien von einer planktonischen Lebensweise zu einer strukturierten Gemeinschaft von Zellen könnte daher zur Anpassung und zum Überleben von S. meliloti in dessen natürlichem Lebensraum beitragen.