Publikationsserver der Universitätsbibliothek Marburg

Titel: Roles of the second messenger cyclic di-GMP in environmental adaptation of Sinorhizobium meliloti
Autor: Schäper, Simon
Weitere Beteiligte: Becker, Anke (Prof. Dr.)
Veröffentlicht: 2017
URI: https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2017/0677
DOI: https://doi.org/10.17192/z2017.0677
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2017-06779
DDC: 570 Biowissenschaften, Biologie
Titel(trans.): Funktionen des sekundären Botenstoffs zyklisches di-GMP in der Anpassung an die Umwelt von Sinorhizobium meliloti
Publikationsdatum: 2019-11-05
Lizenz: https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0

Dokument

Schlagwörter:

Summary:
Bacteria have evolved various systems for the integration of environmental signals to rapidly coordinate cellular pathways and adapt to changes in their environment. In the quickly advancing field of nucleotide-based second messengers, cyclic dimeric guanosine monophosphate (c-di-GMP) has emerged as a key regulatory player whose underlying signaling networks control major adaptational and lifestyle changes. Enzymes that catalyze synthesis and degradation of c-di-GMP, named diguanylate cylases (DGCs) and phosphodiesterases (PDEs), respectively, are near-ubiquitous in the bacterial kingdom. Despite the numerous studies aiming to better understand the role of c-di-GMP in bacteria, knowledge on integration of c-di-GMP networks into other regulatory networks, the molecular inventory of c-di-GMP receptors and molecular mechanisms underlying c-di-GMP-dependent regulation is limited. This study investigated roles of c-di-GMP in environmental adaptation of soil-dwelling Sinorhizobium meliloti, a rod-shaped alphaproteobacterium from the order Rhizobiales that exists either in free-living states or in symbiosis with leguminous plant hosts. The S. meliloti genome encodes 22 proteins putatively involved in synthesis, degradation and binding of c-di-GMP. Single mutations in 21 of these genes did not cause evident changes in surface attachment, swimming motility or exopolysaccharide (EPS) production. Moreover, screening the different phenotypes of S. meliloti c-di-GMP0 mutants revealed no defects in cell viability and symbiotic potency. In contrast, artificially increasing c-di-GMP levels by overproduction of several DGCs promoted production of extracellular matrix components and surface attachment, whereas swimming motility and extracellular accumulation of N-Acyl-homoserine lactones (AHLs) was reduced. The identification of genetic determinants responsible for observed phenotypic changes at elevated c-di-GMP levels proved c-di-GMP-dependent regulation at both transcriptional and post-translational levels. The SMc01790-SMc01796 locus, homologous to the Agrobacterium tumefaciens uppABCDEF cluster governing biosynthesis of a unipolar polysaccharide (UPP), was required for c-di-GMP-stimulated surface attachment, while the stand-alone PilZ domain protein SMc00507 (renamed McrA) acted as c-di-GMP receptor protein involved in regulation of swimming motility. Transcriptome profiling of S. meliloti at elevated c-di-GMP levels revealed upregulation of the uxs1-SMb20463 gene cluster governing biosynthesis of an extracellular polysaccharide (referred to as CUP). Resulting from this finding, AraC-like transcriptional activator SMb20457 (renamed CuxR) was shown to bind c-di-GMP by a mechanism similar to that of PilZ domains, which provided an example of convergent evolution in two distinct protein families. This study demonstrates that the c-di-GMP network in S. meliloti is integrated into other cellular systems, particularly the well-characterized regulatory network for opposing control of EPS biosynthesis and motility. For instance, CuxR-mediated activation of CUP production was counteracted by the global repressor MucR, while both MucR and the AHL-sensitive master regulator ExpR reduced UPP-mediated surface attachment at elevated c-di-GMP levels. Moreover, a new cellular function was assigned to the essential PDE SMc00074 (renamed GdcP), which is linked to cell envelope biogenesis in alpha-rhizobial species. Overall, c-di-GMP-dependent regulation of multiple cellular functions indicated that high c-di-GMP levels favor a sedentary lifestyle of free-living S. meliloti. The switch of single motile bacteria from a planktonic state to a structured community of cells might contribute to environmental adaptation and long-term survival of S. meliloti in its natural soil habitat.

Zusammenfassung:
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.


* Das Dokument ist im Internet frei zugänglich - Hinweise zu den Nutzungsrechten