Regulation by cyclic di-GMP in Myxococcus xanthus

Der nukleotid-basierte, sekundäre Botenstoff bis-(3‘-5‘)-cyclic GMP (c-di-GMP) ist an einer Vielzahl von regulatorischen Prozessen im Zusammenhang mit Veränderungen des Lebenszyklusses in Bakterien beteiligt. Myxococcus xanthus reagiert entsprechend der Nährstoffverfügbarkeit in seiner Umgebung. Bei ausreichenden Nährstoffen bildet M. xanthus sich ausbreitende Kolonien. Unter nahrungslimitierenden Bedingungen hingegen werden mit Sporen gefüllte Fruchtkörper geformt. In dieser Arbeit wurde die Funktion von c-di-GMP in M. xanthus untersucht. M. xanthus kann c-di-GMP produzieren. Die Manipulation der zellulären c-di-GMP Konzentration durch Expression einer heterologen, aktiven Diguanylatzyklase oder Phosphodiesterase in lebenden Zellen führte zu einem Defekt der „type-IV-pili“ (T4P) abhängigen Beweglichkeit. Die Gleitbewegung von M. xanthus hingegen blieb dadurch unberührt. Eine erhöhte Konzentration von c-di-GMP reduzierte die Transkription des pilA Genes, welches für das wichtigste Pilin des T4P codiert, reduzierte das Vorkommen von T4P generell und veränderte die Zellagglutination. Ein niedriges Niveau von c-di-GMP führte lediglich zu veränderter Zellagglutination. Die systematische Inaktivierung von 24 Genen in M. xanthus, welche für Proteine mit GGDEF, EAL oder HD-GYP Domänen kodieren, die im Zusammenhang mit der Synthetisierung, dem Abbau oder dem Binden von c-di-GMP stehen, identifizierte drei Gene, die wichtig für die T4P abhängige Bewegung sind. Die dazugehörigen Proteine DmxA, TmoK und SgmT enthalten alle eine GGDEF Domäne. DmxA besitzt Diguanylatzyklaseaktivität, TmoK und SgmT (beide Hybrid Histidinkinasen) zeigen keine Diguanylatzyklaseaktivität in vitro. Die Konzentration von c-di-GMP steigt während nahrungslimitierenden Bedingungen signifikant an. Artifiziell herbeigeführtes niedriges c-di-GMP Niveau beeinflusst das Entwicklungsprogramm, hohes jedoch nicht. Zudem konnten wir aus den 24 Genen, die für Proteine mit GGDEF, EAL und HD-GYP Domänen kodieren, zwei Gene identifizieren, welche spezifisch im Entwicklungsprogramm von M. xanthus involviert sind: pmxA und dmxB. pmxA kodiert für eine enzymatisch aktive Phosphodiesterase mit einer HD-GYP-Domäne. dmxB kodiert für eine im Entwicklungsprogramm induzierte, enzymatisch aktive Diguanylatzyklase. DmxB ist essentiell um ein erhöhtes c-di-GMP Niveau in den Zellen aufrechtzuerhalten und reguliert außerdem Exopolysaccharide während des Nährstoffmangels. Unsere Resultate zeigen, dass c-di-GMP ein wichtiges Signalmolekül im Entwicklungsprogramm von M. xanthus ist und weist auf ein Model hin, in dem ein minimaler Schwellenwert an c-di-GMP Konzentration erreicht sein muss, um ein erfolgreiches Fortschreiten des Entwicklungsprogrammes zu gewährleisten. Zusätzlich konnten wir c-di-GMP spezifische Effektormoleküle mit Hilfe von Massenspektrometrie identifizieren und teilweise charakterisieren. Für einige dieser Kandidaten konnte bestätigt werden, dass sie in vitro c-di-GMP binden und die Deletionsmutanten der korrespodierenden Gene wurden hinsichtlich ihrer Fähigkeit des T4P abhängigen Beweglichkeit und ihres Entwicklungsprogrammes charakterisiert.