Signal Transduction Systems in the Myxococcus xanthus Developmental Program

Myxococcus xanthus serves as a prokaryotic model organism for the regulation of complex social behaviors. During all aspects of its life cycle M. xanthus favors multicellular behavior, including a developmental program in which the population is segregated into at least three distinct cell fates (sp...

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Main Author: Glaser, Maike
Contributors: Higgs, Penelope (PhD) (Thesis advisor)
Format: Dissertation
Language:English
Published: Philipps-Universität Marburg 2017
Biologie
Subjects:
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Table of Contents: Anhand des prokaryotischen Modellorganismus Myxococcus xanthus kann die Regulation von komplexen, sozialen Verhaltensweisen untersucht werden. In allen Lebenszyklus-Stadien zeigt M. xanthus multizelluläres Verhalten, einschließlich eines Entwicklungsstadiums, bei dem sich die Zellpopulation in mindestens drei unter-schiedliche Zelltypen aufspaltet: Sporulation in vielzellige Fruchtkörper, ‚peripheral rods‘ und lysierende Zellen. Dabei sind bisher weder der evolutionäre Vorteil dieser Differenzierung noch der Mechanismus, durch den die Separation einer Population in verschiedene Zelltypen induziert wird, vollständig verstanden. Ein potentieller Kandidat für die Regulation der Aufteilung in differenzierte Zelltypen ist allerdings MrpC, ein wichtiger Transkriptionsregulator im Entwicklungszyklus. Die MrpC-Akkumulation wird durch mehrere unterschiedliche Signaltransduktionssysteme gesteuert, einschließlich der (verwaisten) Histidin-Proteinkinasen (HPK) Esp, TodK, Red und Hpk30. In einem M. xanthus Stamm, dem drei der Systeme fehlen (Δesp Δred ΔtodK) wird MrpC massiv überakkumuliert. Weiterhin zeigt dieser Stamm einen auffälligen Phänotyp, bei dem alle Zellen unangemessen schnell sporulieren und so einen Sporen-Teppich erzeugen. In dieser Arbeit wird zunächst gezeigt, wie M. xanthus von der Sporenproduktion innerhalb von gut strukturierten Fruchtkörpern profitiert. Weiterhin wird thematisiert, wie Signaltransduktionsmechanismen die Fruchtkörperbildung und die Segregation in Zelltypen steuern können. Hierbei ist ausschlaggebend wie Red, TodK und Hpk30 die MrpC-Akkumulation kontrollieren könnten. Ein Stamm, dem die Esp-, Red- und TodK-Signalsysteme fehlen, bildet keine organisierten Fruchtkörper. Dieser Phänotyp wurde sich in dieser Arbeit zu Nutzen gemacht, um die Rolle verschiedener Zelltypen bei der Verbreitung und der Aus-bildung von Resistenz gegenüber Umwelteinflüssen von M. xanthus Fruchtkörpern zu studieren. Es konnte gezeigt werden, dass der Verlust der Fruchtkörper-morphologie zu einer verbesserten Verbreitung durch den Vektor Drosophila melanogaster führt. Dies geht jedoch auf Kosten der Umweltresistenz, wie durch den Einfluss von UV-Exposition auf Mutanten- und Wildtyp-Fruchtkörper sowie vereinzelte Wildtyp-Sporen gezeigt werden konnte. Hinsichtlich der Frage, wie Signaltransduktionsmechanismen konvergieren können, um die MrpC-Akkumulation zu regulieren, wurde eine postulierte Verbindung zwischen dem Red-Signalsystem und einer Ser/Thr-Kinasen-Kaskade bestätigt. Von dieser Verbindung wird angenommen, dass sie die MrpC-Aktivität durch dessen Phosphorylierungsstatus kontrolliert. Um Mechanismen zu identifizieren, durch die TodK und Hpk30 die MrpC-Akkumulation beeinflussen könnten, wurde eine detaillierte Charakterisierung ihrer jeweiligen Signaltransduktionswege durchgeführt. TodK fungiert als eine bifunktionale Histidin-Proteinkinase/Phosphatase, deren Aktivität vermutlich durch die zwei N-terminalen PAS-Domänen moduliert wird. Die Charakterisierung von Hpk30 zeigte, dass Kinaseaktivität die zelluläre Antwort moduliert und dass diese Aktivität durch ihre zwei ‚receiver‘ Domänen sowie ein hypothetisches Protein, MXAN_4466, moduliert wird. Zusammenfassend deuten die hier vorgestellten Daten darauf hin, dass unterschiedliche Signalsysteme konvergieren müssen, um die MrpC-Akkumulation in verschiedenen Zelltypen zu regulieren. Dies führt wiederum zur Segregation von Zellen in ‚peripheral rods‘ außerhalb oder Sporen innerhalb von Fruchtkörpern. Es wird postuliert, dass die Veränderung der räumlichen und/oder zeitlichen Akkumulation von MrpC in Zellen in der hungernden, sich entwickelnden Population dazu dient, die Morphologie des Fruchtkörpers an spezifische Umweltbedingungen anzupassen, in denen entweder die Verbreitung oder die Langzeitresistenz das Überleben von M. xanthus sichern kann.