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Titel:Characterization of the division apparatus in the budding bacterium Hyphomonas neptunium
Autor:Eisheuer, Sabrina
Weitere Beteiligte: Thanbichler, Martin (Prof. Dr.)
Veröffentlicht:2016
URI:https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2016/0125
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2016-01254
DOI: https://doi.org/10.17192/z2016.0125
DDC: Biowissenschaften, Biologie
Titel(trans.):Charakterisierung des Zellteilungsapparates in Hyphomonas neptunium
Publikationsdatum:2018-06-26
Lizenz:https://rightsstatements.org/vocab/InC-NC/1.0/

Dokument

Schlagwörter:
Zellteilung, dimorpher Zellzyklus, Bakterien, FtsZ, asymmetrische Teilung, budding, Knospung, FtsZ, dimorphic cell cycle, asymmetric division

Summary:
Bacteria are phylogenetically diverse and have evolved a variety of different cell shapes, life styles, and reproduction strategies. In the past decades, research has focused mainly on a few model organisms, such as Escherichia coli, Bacillus subtilis and Caulobacter crescentus that all divide by symmetric or asymmetric binary fission and are rod-shaped. Thus, the mechanisms underlying alternative propagation modes such as multiple offspring formation or budding are largely unknown. To further our knowledge in this field, we set out to study the dimorphic α-proteobacterium Hyphomonas neptunium as a representative of the stalked budding bacteria. In this work, we investigated the highly asymmetric cell division of H. neptunium, which occurs at the junction between the stalk and the bud, giving rise to two morphologically and physiologically different cell types. In the majority of bacteria, cell division is mediated by a multiprotein complex called the divisome. In H. neptunium, most of the known divisome components are conserved, and a comprehensive localization study confirmed that these proteins localize dynamically to the division site. Remarkably, for the central component FtsZ and the DNA translocase FtsK, we could observe unusual localization patterns, with both of them forming complexes at positions other than the final division site. FtsZ localized at both ends of the stalk. However, only the complex at the division site developed into a mature divisome by the recruitment of other division proteins. FtsK localized in an irregular pattern within the stalk structure, indicating that its function may go beyond mediating the last stages of chromosome segregation. Analysis of an ATPase-deficient FtsK variant and a strain with reduced FtsK expression indeed pointed towards an involvement of FtsK in DNA transport through the stalk in H. neptunium. Furthermore, we demonstrated that unlike in the closely related species, the conserved ATPaseMipZ is not a critical regulator of Z-ring positioning in H. neptunium, in contrast to its close relative C. crescentus. Since homologs of other regulatory systems are absent, a novel, yet unidentified, mechanism might position the division site in H. neptunium. Taken together, we could show that although cell division proteins are conserved among species, their spatiotemporal regulation and specific role can differ to fit the needs of distinct life styles.

Zusammenfassung:
Bakterien sind phylogenetisch divers und haben eine Vielzahl von Zellformen, Lebensstilen und Vemehrungsstrategien entwickelt. Die Forschung in den letzten Jahrzehnten hat sich hauptsächlich auf die Untersuchung einiger weniger Modellorganismen wie Escherichia coli, Bacillus subtilis and Caulobacter crescentus konzentriert, welche sich alle durch asymmetrische oder symmetrische binäre Teilung vermehren und stäbchenförmig sind. Entsprechend sind dieMechanismen, die alternativen Teilungsarten, wie der Knospung, zu Grunde liegen, zum Großteil unbekannt. Um das Wissen auf diesem Gebiet zu erweitern, haben wir begonnen, das dimorphe α-Proteobakterium Hyphomonas neptunium als Vertreter der gestielten, knospenden Bakterien zu untersuchen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die asymmetrische Zellteilung von H. neptunium, die am Übergang von Stiel und Knospe stattfindet und zwei morphologisch und physiologisch unterschiedliche Zelltypen hervorbringt, analysiert. In den meisten Bakterien erfolgt die Zellteilung mit Hilfe eines Multiprotein-Komplexes, der auch als Divisom bezeichnet wird. In H. neptunium sind eine Vielzahl der bekannten Divisom-Komponenten konserviert, deren dynamische Lokalisation in der Zellteilungsebene in einer umfassende Lokalisationsstudie bestätigtwerden konnte. Allerdings wurde für den zentralen Faktor der Zellteilung, FtsZ, und die DNA-Translokase FtsK ein ungewöhnliches Lokalisationsmuster beobachtet, da beide Proteine an Stellen außerhalb der Zellteilungsebene Komplexe bildeten. FtsZ ist an beiden Enden des Stiels zu finden. Allerdings führt nur der FtsZ-Komplex an der Zellteilungsebene durch die Rekrutierung weiterer Zellteilungsproteine zu einer reifen Zellteilungsmaschinerie. FtsK hingegen lokalisiert in einem unregelmäßigen Muster in der Stiel-Struktur, was auf eine zusätzliche Rolle in einem anderen Prozess als den letzten Schritten der Chromosomensegregation hinweist. Die Analyse einer ATPase-defekten FtsK-Variante und eines Stammes mit reduzierter FtsK-Expression lieferte Hinweise auf eine Beteiligung von FtsK am Transport der DNA durch den Stiel. Zudem konnte gezeigt werden, dass die konservierte ATPase MipZ, anders als in der Spezies C. crescentus, nicht für die räumliche Regulation des Z-Rings in H. neptunium benötigt wird. Da Homologe anderer Regulatorproteine nicht gefunden wurden, dürfte ein neuer, bisher nicht identifizierter Mechanismus die Zellteilungsebene in H. neptunium positionieren. Zusammenfassend konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass sich die räumliche und zeitliche Regulation und die spezifischen Aufgaben von Zellteilungsproteinen unterscheiden können, auch wenn sie in verschiedenen Bakterien stark konserviert sind.


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