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Titel: Cell differentiation specific inhibition of cell division guarantees the formation of diploid spores during development of Myxococcus xanthus
Autor: Huneke-Vogt, Sabrina
Weitere Beteiligte: Sogaard-Andersen, Lotte (Prof. Dr. MD)
Veröffentlicht: 2017
URI: https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2017/0710
DOI: https://doi.org/10.17192/z2017.0710
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2017-07101
DDC: Biowissenschaften, Biologie
Titel(trans.): Zelltyp-spezifische Inhibition der Zellteilung garantiert die Bildung von diploiden Sporen während des Entwicklungsprogramms von Myxococcus xanthus
Publikationsdatum: 2017-11-13
Lizenz: https://rightsstatements.org/vocab/InC-NC/1.0/

Dokument

Schlagwörter:
Cell division, Chromosom, chromosome, sporulation, replication, Zellzyklus, Zellteilung, cell cycle, Replikation, Sporenbildung

Summary:
Als Antwort auf nahrungslimitierende Bedingungen initiiert das im Boden lebende Bakterium Myxococcus xanthus ein komplexes Entwicklungsprogramm. Dieses führt zur Bildung von Fruchtkörpern in denen die stäbchenförmigen Zellen zu kugelförmigen, diploiden Myxosporen differenzieren, welche extreme Umweltbedingungen überdauern können. Einige Zellen, die als „peripheral rods“ bezeichnet werden bleiben haploid außerhalb der Fruchtkörper. Replikation ist essentiell für die Fruchtkörperbildung und Sporulation. Unter vegetativen Bedingungen wachsen die Zellen asynchron hinsichtlich ihres Zellzyklus. Sie enthalten ein bis zwei Chromosomen und auf Replikation folgt Zellteilung. In dieser Arbeit wurde der Mechanismus der zur Bildung von diploiden Sporen führt untersucht. Wir bestätigten durch die Analyse einzelner Zellen sowie Zellpopulationen, dass Myxosporen zwei Chromosomen beinhalten. Unsere Ergebnisse wiesen darauf hin, dass sich „peripheral rods“ in verschiedenen Phasen des Zellzyklus befinden und in der Lage sind zu replizieren. Um die Regulierung der Zellteilung zu untersuchen haben wir uns auf das Haupt-Zellteilungsprotein FtsZ sowie dessen Regulatoren PomX, PomY und PomZ fokussiert. In Experimenten, bei denen zukünftige Sporen und „peripheral rods“ getrennt wurden, konnten wir zeigen, dass die Proteinlevel während des Entwicklungsprogramms spezifisch in künftigen Sporen abnehmen. Damit einhergehend war die Präsenz jedes dieser Proteine nicht essentiell für Fruchtkörperbildung und Sporulation. Transkriptionelle Analyse offenbarte eine Abnahme der Anzahl der Tranksripte von ftsZ, pomX, pomY und pomZ bei Nahrungslimitation. Zudem wird FtsZ kontinuierlich degradiert, sowohl während vegetativen als auch während nahrungslimitierenden Bedingungen. Wir folgerten, dass FtsZ Proteolyse die Synthese übertrifft, was zu einer Abnahme des Proteinlevels und der Inhibition von Zellteilung in künftigen Sporen führt. Konstitutive ftsZ Expression beeinflusste nicht den Sporulations-prozess, resultierte jedoch in die Bildung von Sporen die weniger als zwei Chromosomen beinhalteten. Folglich reicht die Eliminierung von FtsZ aus um Zellteilung zu inhibieren und diploide Sporen zu bilden. In diesen Vorgang, jedoch nicht in die transkriptionelle Regulation, ist wahrscheinlich die ATP-abhängige Protease LonD indirekt involviert. Sporulation an sich ist unabhängig vom Chromosomengehalt, allerdings beeinflusst die DNA Menge die Morphologie der Sporen. Zellen die mehr Chromosomen als WT Zellen beinhalten und das Entwicklungsprogramm starten, formen Sporen, die eine höhere Durchschnittsgröße und einen höheren DNA Gehalt aufweisen. Obwohl die Abnahme von FtsZ und ftsZ Transkripten spezifisch während nahrungslimitierenden Bedingungen stattfindet scheint dies unabhängig von der „stringent response“ und RelA zu sein. Außerdem wird FtsZ unabhängig vom globalen Vorkommen des sekundären Botenstoffes zyklisches di-GMP reguliert, welches eine essentielle Rolle im multizellulären Verhalten von M. xanthus spielt.

Zusammenfassung:
In response to nutrient starvation, the soil bacterium Myxococcus xanthus initiates a complex developmental program resulting in the formation of fruiting bodies inside which the rod-shaped motile cells differentiate into environmentally resistant, spherical and diploid myxospores. Some cells, referred to as peripheral rods, remain as rod-shaped haploid cells outside of fruiting bodies. Replication is essential for fruiting body formation and sporulation. During vegetative conditions, cells grow asynchronously with respect to the cell cycle. The cells contain one to two chromosomes and initiation of replication proceeds immediately after cell division. Here we investigated the mechanism underlying the formation of diploid spores. We confirmed the diploid chromosome content of mature spores by single cell and cell population analysis. Our results indicated that peripheral rods are cells in various stages of the cell cycle that are able to replicate. To address regulation of cell division, we focused on the key cell division protein FtsZ and its regulators PomX, PomY and PomZ. Experiments in which future myxospores and future peripheral rods were separated demonstrated that the protein levels of these four proteins decreased during development specifically in cells dedicated to become spores. In line with this, we showed that the presence of each of these proteins is not essential for fruiting body formation and sporulation. Transcriptional analysis revealed a decrease in transcript numbers of ftsZ, pomX, pomY and pomZ upon starvation. Moreover we observed that FtsZ is constitutively degraded during vegetative growth as well as during development and has the same half-life under these two conditions. We conclude that FtsZ proteolysis outperforms FtsZ synthesis during development resulting in elimination of FtsZ specifically in future spores. To address whether the decrease in FtsZ level in future spores causes the inhibition of cell division in these cells, we expressed ftsZ constitutively in developing cells. Remarkably, many of the spores formed by these cells contained one chromosome. Thus, the elimination of FtsZ in cells destined to become spores inhibits cell division and guarantees the formation of diploid myxospores. Most likely the ATP-dependent protease LonD is indirectly involved in FtsZ turnover but is not responsible for the transcriptional downregulation upon starvation. Interestingly, sporulation did not depend on chromosome content however, chromosome content affects spore morphology. Cells which enter the developmental program with a chromosome content higher than WT cells form spores that are increased in average size and chromosome content. Although the decrease in FtsZ protein levels and ftsZ transcript numbers is specific to starvation, it seems to be independent of RelA and the stringent response. Additionally, regulation of FtsZ levels is independent of the global pool of the second messenger cyclic di-GMP which was shown to be an essential regulator of multicellular development in M. xanthus.


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