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Titel:Signal Transduction Systems in the Myxococcus xanthus Developmental Program
Autor:Glaser, Maike
Weitere Beteiligte: Higgs, Penelope (PhD)
Veröffentlicht:2017
URI:https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2018/0041
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2018-00413
DOI: https://doi.org/10.17192/z2018.0041
DDC: Biowissenschaften, Biologie
Titel(trans.):Signal-Transduktions-Systeme im Entwicklungszyklus von Myxococcus xanthus
Publikationsdatum:2018-08-08
Lizenz:https://rightsstatements.org/vocab/InC-NC/1.0/

Dokument

Schlagwörter:
signal transduction, Signaltransduktion, Myxococcus xanthus

Summary:
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 (sporulation inside multicellular fruiting bodies, peripheral rods and cell lysis). Neither the evolutionary advantage of producing these distinct cell fates, nor the mechanism by which cell fate segregating is induced are fully understood. However, MrpC, a major developmental trans-criptional regulator, is a good candidate for the regulation of cell fate segregation. MrpC accumulation is controlled by multiple distinct signaling systems including the (orphan) histidine protein kinases (HPKs) Esp, TodK, Red and Hpk30. A strain lacking three of the pathways (Δesp Δred ΔtodK) massively over-accumulates MrpC and displays a striking phenotype in which all cells appear to sporulate inappropriately rapidly, producing lawns of spores. In this thesis research, I first report how M. xanthus benefits from production of spores inside of fruiting bodies. I next address how fruiting body formation and cell fate segregation can be controlled. To do so, I characterized the mechanisms by which Red, TodK and Hpk30 could control MrpC accumulation. We have previously observed that a strain lacking Esp, Red and TodK signaling systems is deficient in the formation of organized fruiting bodies and essentially produces lawns of spores. By taking advantage of this mutant strain, I addressed the role of cell fate segregation in dispersal and environmental resistance of M. xanthus fruiting bodies. I showed that loss of fruiting body morphology leads to enhanced dispersal by the vector Drosophila melanogaster. However, this comes at the expense of environmental resistance as could be demonstrated by the impact of UV exposure on mutant and wild type fruiting bodies as well as wild type single spores. To clarify how signaling systems may converge to regulate MrpC accumulation, I confirmed a putative connection between the Red signaling system and the Ser/Thr kinase cascade thought to control MrpC activity by phosphorylation. To start to identify possible mechanisms by which TodK and Hpk30 could affect MrpC accumulation, I carried out a detailed characterization of their respective signal flows. TodK functions as a bifunctional histidine protein kinase/phosphatase, whose activity is likely modulated by the two N-terminal PAS-domains. Hpk30 characterization revealed kinase activity as the signal output and that this activity is modulated by its two receiver domains as well as a hypothetical protein, MXAN_4466. Together, these data suggest a model in which separate signaling systems converge to regulate MrpC accumulation in distinct cell types leading to segregation of cells into either peripheral rods outside or spores inside fruiting bodies. Altering the spatial and/or temporal accumulation of MrpC within cells in the developing population is used to adapt fruiting body morphology to specific environmental conditions in which either dispersal or long-term resistance might enhance M. xanthus survival.

Zusammenfassung:
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.


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