Regulatory mechanisms of the Sin Quorum Sensing System and its impact on survival of the soil-dwelling bacterium Sinorhizobium meliloti

Table of Contents: Das Sin Quorum Sensing (QS) System des Bodenbakteriums Sinorhizobium meliloti steuert eine Vielzahl von zellulären Prozessen, wie zum Beispiel Exopolysaccharid (EPS) Produktion, Motilität, Stickstofffixierung oder den Transport von Metallen und kleinen Molekülen. Das System besteht aus drei Komponenten: (i) SinI, eine N-Acyl-Homoserin-Lacton (AHL) Synthase; (ii) SinR, ein LuxRähnlicher Transkriptionsregulator von sinI; und (iii) ExpR, der AHL-abhängige LuxR-ähnliche Haupttranskriptionsregulator. Das Ziel dieser Arbeit ist die Mechanismen und Funktionen des Sin-QS Systems zu verstehen, sowie deren Bedeutung für das Überleben von S. meliloti zu beschreiben. Es wurde bereits gezeigt, dass durch AHL aktiviertes ExpR spezifische DNA-Sequenzen innerhalb des Promotorbereichs einiger Zielgene bindet. Der erste Teil dieser Arbeit befasste sich mit den regulatorischen Mechanismen innerhalb des ExpR-Regulons. Die Ergebnisse bestätigten zunächst sieben zuvor identifizierte ExpR-DNA-Bindestellen und fügten darüber hinaus 26 bisher unbekannte Bindestellen hinzu. Einige dieser Bindestellen befinden sich in Promotorbereichen von Genen, die daraufhin dem ExpR-Regulon zugeordnet werden konnten. Die Positionen der ExpR-Bindestellen relativ zum jeweiligen Transkriptionsstart bestimmen, ob ExpR/AHL die Promotoraktivität aktiviert oder reprimiert. Außerdem konnte gezeigt werden, dass die Stärke der Regulation abhängig von der AHL-Konzentration ist. Die Ergebnisse und die Tatsache, dass AHL-Akkumulation und -Konzentration innerhalb alternder Kulturen variieren, suggerieren ein temporäres Genexpressionsprogramm, in dem jeder Promotor auf eine bestimmte AHL-Konzentration reagiert. Im zweiten Teil der Arbeit wurde die Regulation des Sin QS Systems selbst untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass, im Gegensatz zu ExpR, die Aktivität von SinR auf die sinI-Expression AHL unabhängig ist. Neben der Autoregulation des Sin QS Systems konnte eine zusätzliche Regulationsebene nachgewiesen werden, in der RNase E, eine für das Wachstum essenzielle Endoribonuclease, eine Rolle spielt. RNase E ist an der Regulation der sinI-Expression beteiligt und zielt spezifisch auf die 5’-UTR der sinI-mRNA. Überexpression von rne führte zu einer kürzeren Halbwertszeit der sinI-mRNA und einer starken Reduktion der AHL-Akkumulation. Durch diese post-transkriptionelle Kontrolle der sinI-mRNA ist eine schnelle Antwort des Sin QS Systems auf Änderungen in der Transkriptionskontrolle der AHL-Produktion möglich. Im letzten Teil dieser Arbeit wurde untersucht, wie das Sin-QS System die generelle Fitness von S. meliloti beeinflusst. Kultivierungsexperimente unter Standardlaborbedingungen und Kompetitivitätsanalysen verschiedener Mutantenlinien zeigten, dass ExpR einen negativen Effekt auf die bakterielle Fitness unter Standardlaborbedingungen hat, und dass dieser Effekt abhängig von EPS-Produktion und Flagellensynthese ist. Im Gegensatz dazu erhöht die Anwesenheit von ExpR unter Stressbedingungen (Austrocknung) die Überlebensrate der Zellen. Die symbiotische Fitness wurde hingegen nicht durch ExpR verbessert. Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass QS je nach Wachstumsbedingungen entweder positive oder negative Auswirkung auf die Fitness haben kann. Es ist einerseits eine vorteilhafte Eigenschaft, die das Überleben der Bakterien bei Stress unterstützt. Andererseits wird es tendenziell unter nährstoffreichen Bedingungen eliminiert.