Analysis of the spore formation process in Myxococcus xanthus.

Myxococcus xanthus ist ein Vertreter Gram-negativer Bakterien, die die Fähigkeit besitzen, als Antwort auf sich verschlechternde Umweltbedingungen widerstandsfähige und metabolisch inaktive Sporen zu bilden. Im Gegensatz zu bereits gut untersuchten Gram-positiven Modellorganismen, die Sporen durch spezialisierte Zellteilung hervorbringen, werden M. xanthus–Sporen durch Abrunden vollständiger, stäbchenförmiger Zellen gebildet. Die Sporulation erfolgt normalerweise innerhalb multizellulärer Fruchtkörper als letztes Stadium eines komplizierten, durch Nährstoffmangel induzierten Entwicklungsprogramms. Die Analyse des Sporulationsprozesses wird durch das Auftreten nicht sporulierender Teilpopulationen innerhalb einer sich differenzierenden Kolonie sowie den geringen Anteil der tatsächlich sporenbildenden Zellen und die hohe Widerstandsfähigkeit der Sporen nachhaltig erschwert. Deshalb wurde in der vorliegenden Arbeit die glycerininduzierte, synchrone Sporulation als Modell für den Differenzierungsprozess vegetativer M. xanthus-Zellen in resistente, sphärische Sporen genutzt. Eine Transkriptomanalyse der glycerin-induzierten Zellen mit Hilfe von Microarrays ergab, dass während der ersten vier Stunden nach erfolgter Induktion 1.596 Gene mindestens zweifach höher oder niedriger transkribiert werden, als in vegetativen Zellen. Es konnte gezeigt werden, dass die Gruppe der differentiell regulierten Gene die meisten der bisher beschriebenen sporulationsspezifischen Markergene enthält, nicht jedoch Gene, die für Aggregation und Fruchtkörperbildung spezifisch sind. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Glycerininduktion speziell den Sporulationsprozess aktiviert und als Modellsystem für die Differenzierung vegetativer M. xanthus-Zellen geeignet ist. Die Analyse der Microarraydaten führte zur Identifikation eines bisher unbeschriebenen Genclusters, der als nfs (necessary for sporulation) bezeichnet wurde. Alle acht hier codierten Proteine besitzen keine Homologie zu bereits charakterisierten Proteinen. In-frame-Deletion aller acht Gene führte zu einem Defekt sowohl in glycerin- als auch in nährstoffmangelinduzierter Sporenbildung, während Aggregation und Fruchtkörperbildung nicht beeinträchtigt waren. Von der nfs-Promotorregion ausgehende Transkription war 30 Minuten nach Glycerininduktion und während nährstoffmangelinduzierter Sporulation ausschließlich in der sporenbildenden Subpopulation nachweisbar. Diese Ergebnisse lassen darauf schließen, dass die nfs-Gene den zentralen Sporulationsgenen zugehören. Die glycerininduzierte Sporulation führte zu vorübergehendem Auftreten morphologisch aberranter Zellen. Die Analyse verschiedener Entwicklungsmutanten weist außerdem darauf hin, dass die Expression der nfs-Gene während nährstoffmangelinduzierter Sporulation C-Signal abhängig ist und durch FruA kontrolliert wird. Zellfraktionierung, Bioinformatik- und Immunoblot-Analysen legen nahe, dass die Nfs-Proteine mit der Zellhülle assoziiert sind und interagieren. Die Ergebnisse lassen insgesamt darauf schließen, dass die Nfs-Proteine für die Bildung widerstands- und lebensfähiger Sporen essentiell sind und einen speziell während der Sporulation gebildeten und in der Zellhülle verankerten Komplex bilden. Darüber hinaus wurde die Rolle des filament- und cytoskelettbildenden Proteins MreB bei der Zellform-Konversion während der Sporenbildung und Sporenkeimung in M. xanthus untersucht. MreB ist in den meisten stäbchenförmigen Bakterien maßgeblich an der Aufrechterhaltung der Zellform sowie an Wachstums- und Zellteilungsprozessen beteiligt. Immunoblot-Analysen legen nahe, dass MreB während glycerininduzierter Sporenbildung in vergleichbaren Mengen erhalten bleibt, während nährstoffmangel-induzierter Sporenbildung jedoch abgebaut wird. Dies deutet an, dass alternative Mechanismen der Zellformkonversion in M. xanthus existieren. Ferner weist die Analyse der Sporenkeimung in Gegenwart der MreB-destabilisierenden Verbindung A22 darauf hin, dass die Bildung polymerer MreB-Filamente einen wesentlichen Schritt während des Keimungsprozesses, also während der Konversion sphärischer Zellen in stäbchenförmige, darstellt. Die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse eröffnen die Möglichkeit, mit Hilfe von M. xanthus als Modellorganismus fundamentale Mechanismen der Entstehung bakterieller Zellmorphologie, gesteuerter Konversion der Zellform, Zellwandsynthese und Bildung resistenter Sporen in Gram-negativen Bakterien zu entschlüsseln.