Control of morphogenesis in the budding Alphaproteobacterium Hyphomonas neptunium

Die Größe und Form von Bakterien ist vielfältig, genau wie ihre Vermehrungsstrategien. Die Zellmorphologie von Bakterien wird durch ihre Zellwand bestimmt, welche hauptsächlich aus Peptidoglykan (PG) besteht. Bisher wurde die räumlich-zeitliche Regulierung von Zellwachstum und Zellteilung hauptsächlich in stäbchenförmigen Bakterien wie Escherichia coli and Bacillus subtilis untersucht. In dieser Studie untersuchen wir das dimorphe Alphaproteobakterium Hyphomonas neptunium als ein neuer Modellorganismus für das Studium von asymmetrischer Zellmorpholigie und Vermehrung durch Knospung am Ende eines Stiels. Unser Ziel war eine umfassende Analyse des Zellwachstums und des Knospungmechanismus in H. neptunium. Detaillierte Elektronen-Kryotomographie-Bilder zeigten, dass der Stiel sowie die Knospe ein Kontinuum mit der Mutterzelle bilden, was früheren Annahmen widerspricht. Wir konnten zudem zeigen, dass die Tochterzelle einen gewissen Teil des Stiels der Mutterzelle einbaut, um sein eigenes Wachstum zu vervollständigen. Darüberhinaus konnten wir zeigen, dass H. neptunium weitaus mehr replikative Zyklen durchlaufen kann, als bisher angenommen wurde. Eine Analyse des Einbaus von neuem PG mittles HADA führte zur identifizierung von vier verschieden Wachstumsphasen in H. neptunium, welche sich durch diffusen (Wachstum der Schwärmer-zelle und Enstehung der Knospe) oder zonalen (Stielbiogenese und Zellteilung) PG-Einbau auszeichnen. Zellwand-Analysen deuten auf eine sehr hohe PG-Umsatzrate hin sowie auf einen ungewöhnlich hohen Anteil an Glycin anstelle von Alanin an der fünften Position des Stammpeptids. Eine umfassende Analyse der PG-Biosynthese-Maschinerie in H. neptunium zeigt, dass das konservierte Aktin-Homolog MreB, die PG-Synthasen PBP2 und PBP3 sowie die PG-Hydrolase LmdC eine wichtige Rolle während des Zellwachstum in H. neptunium spielen. Die polare PG-Biogenese scheint durch eine Reihe von meist redundanten Synthasen und Hydrolasen moduliert zu werden, wobei LD-Transpeptidasen keine Rolle spielen. Wir postulieren, dass die asymmetrische Zellgeometrie von H. neptunium auf einer komplexen intrazellulären Asymmetrie beruht, die durch verschiedene Wachstumszonen mit dispersem und zonalem Wachstum gekennzeichnet ist. Zur Aufrechterhaltung der korrekten Zellform benötigt H. neptunium MreB, ein coiled-coil-reiches Protein (genannt CCRP) sowie die nicht-kanonischen Bactofiline, die eine neue Klasse von Nukleotid-unabhängigen polymerbildenden Zytoskelettelementen darstellen. Wird MreB durch A22 oder MP265 gehemmt, nehmen die Zellen eine runde Form an, bis das Zellwachstums komplet zum Stillstand kommt. Wird das ccrp Gen deletiert, entstehen kurze Zellketten sowie leicht deformierte Zellkörper. In Abwesenheit der beiden Bactofilin-Paraloge, BacA und BacB, entstehen pleomorphe Zellkörper mit mehreren, zum Teil verzweigten Stielen. Bei einigen dieser Mutanten können zusäztlich zu der Knospe am Ende des Stiels, auch Knospen aus dem Zellkörper der Mutterzelle entstehen. Beide Bactofiline lokalisieren dynamisch am gestieltem Pol während des gesamten Zellzyklus und sind später zusätzlich im Stiel direkt neben der Spitze und an der zukünftigen Zellteilungsebene lokalisiert. Zeitraffer-Mikroskopie-Aufnahmen von der Doppeldeletionsmutante zeigten, dass der erste Schritt, der zum Verlust der Zellmorphologie führt, die Vernachlässigung des Stiels als Fortpflanzungsorganell ist, welche durch die wachsende Knospen ungehindert einverleibt wird. Der Verlust des Stiels hat zur Folge, dass die Zellwandbiogenese in der gesamten Zelle dereguliert ist, was am Ende zu amorphen Zellkörpern führt. Allerdings deuten mehrere Experimente darauf hin, dass die Bactofiline für die Stielbiogenese nicht erforderlich sind, aber sie scheinen eine tragende Rolle bei der Aufrecherhaltung des Stiels zu haben. Kurzum spielen Bactofiline eine essentielle Role bei der Aufrechterhaltung des PG-Einbaus am gestieltem Pol, was letzendlich entscheidend zur Erhaltung der korrekten Zellmorphologie beiträgt.