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Titel:The role of negative regulators in coordination of the Myxococcus xanthus developmental program
Autor:Lee, Bongsoo
Weitere Beteiligte: Søgaard-Andersen, Lotte (Prof. Dr.)
Veröffentlicht:2009
URI:https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2009/0781
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2009-07816
DOI: https://doi.org/10.17192/z2009.0781
DDC: Biowissenschaften, Biologie
Titel(trans.):Rolle der negativen Regulatoren mit der Koordinierung von Myxococcus xanthus imEntwicklungsprogramm
Publikationsdatum:2010-01-26
Lizenz:https://rightsstatements.org/vocab/InC-NC/1.0/

Dokument

Schlagwörter:
Negative regulator, Myxococcus xanthus, Negative Regulatoren, Myxococcus xanthus
Referenziert von:

Summary:
Myxococcus xanthus is a prokaryote that has a complex life cycle distinguished by multicellular behaviors and cell differentiation. Upon starvation, Myxococcus xanthus cells enter a developmental program wherein cells have different developmental fates: the majority of cells undergo programmed cell death (PCD), and the remaining cells either migrate into fruiting bodies and then differentiate into spores or do not aggregate and remain as peripheral rods. This developmental program is controlled by a cascade of positive developmental regulators whose expression is subject to positive autoregulation. Several histidine kinase (HK) homologs (espA, espC, red and todK) have been described that are necessary for appropriate progression through the developmental program. Mutants in these genes aggregate and sporulate earlier than wild type, producing disorganized fruiting bodies and spores outside of the fruiting bodies. These observations suggest that these kinases act as negative regulators (NRs) to repress the developmental program, but it is not clear if they function in one or more signaling pathways, how they mediate repression of the developmental program, and what ultimate advantage they provide to the developmental program. Using genetic epistasis analysis, we demonstrate that these NRs are organized into three distinct signaling systems comprised of 1) EspA/EspC, 2) TodK and 3) Red. Consistently, analysis of the accumulation patterns of several developmental regulatory proteins in each NR mutant demonstrated three distinct patterns: 1) in espA and espC mutants most developmental regulators accumulate earlier than in wild type, but the ordered cascade of production is maintained, 2) in red mutants most developmental marker proteins are under accumulated and the ordered cascade of production is not maintained, 3) in todK mutants certain developmental marker proteins are produced earlier than in wild type and the ordered cascade of production is perturbed. Phenotypic analysis of single, double, triple and quadruple NR mutants demonstrated that there is a strong negative correlation between the rate of progression through the developmental program and coordinated fruiting body formation. Loss of coordinated fruiting body formation appeared to be the result of uncoordinated developmental subpopulations. To determine whether the perturbation in the ordered cascade of developmental regulators in the red and todK mutants was due to misregulation of the developmental subpopulations, we first set out to define the temporal proportion of the different cell subpopulations and then examined the accumulation of key developmental regulator proteins in the two developmental subpopulations. Our analyses indicate that the cell population doubles over the course of 24 hours followed by a sudden burst programmed cell death (PCD). The aggregating and non-aggregating subpopulations displayed distinct accumulation patterns of components involved in Type IV pilus-mediated motility, and spore structural proteins. Most key developmental regulator proteins were shown to first gradually accumulate in the non-aggregating cell fraction and then to rapidly accumulate in the aggregating cell fraction. Using a similar approach to analyze the red and todK NR mutants, we demonstrate that both mutants do not increase their population to the same extent as wild type, likely because PCD is induced earlier than wild type. Furthermore, in both mutants, developmental regulatory proteins are induced inappropriately rapidly in the non-aggregating cell fraction, and subsequently fail to accumulate appropriately in the aggregating cell fraction. Consequently, many cells are induced to sporulate before they have completed aggregation, and coordinated fruiting body formation is perturbed. These results strongly suggest that TodK and Red mediate the gradual accumulation of one or more developmental coordinators during the aggregation phase of the developmental program. These results suggest that coordination of developmental subpopulations requires negative regulatory signaling systems that quench the positive autoregulatory loops that ensure coupling of sporulation and aggregation.

Zusammenfassung:
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.


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