The Role of Genomic Context in Bacterial Growth Homeostasis

Das Wachstum von Bakterien ist ein komplexes, aber gut organisiertes Spiel, bei dem ausreichende Mengen verschiedener Zellkomponenten produziert werden müssen, um Zellteilungen durchzuführen und den Zyklus zu wiederholen. Dabei kann vieles schief gehen - deshalb haben sich bei Bakterien mehrere Strategien entwickelt, um sicherzustellen, dass alle Prozesse synchronisiert ablaufen. Diese Problematik wird zusätzlich erschwert, da die Zellen ihre Wachstumsrate an ihre Lebensbedingungen anpassen, was wiederum die gesamte Zellphysiologie beeinflusst. Eine bemerkenswerte Änderung ist, dass mit zunehmender Nährstoffverfügbarkeit und -qualität die durchschnittliche Größe der Zellen und die Konzentration der Ribosomen in der Zelle steigt; letztere ermöglicht sowohl die Produktion der größten Makromolekülfraktion in der Zelle (Proteine) als auch mehr Ribosomen, die für ein schnelles Wachstum erforderlich ist. Mit der Zunahme des Volumens der Zelle kommt eine erforderliche Vergrößerung der Oberfläche, da ein Ungleichgewicht zwischen diesen beiden zu einem unhaltbaren Innendruck führen würde. Wie stellen Bakterien dann sicher, dass das Volumenwachstum mit der Produktion von Zellhüllenkomponenten synchronisiert wird, so dass die Zellhomöostase erhalten bleibt, insbesondere bei schwankender Wachstumsrate? Genomischer Kontext ist bekannt dafür die Koregulation von Genen zu unterstützen und dadurch ihre Expression auf verschiedene zelluläre Reize zu synchronisieren. Da das bakterielle Genom sehr unbeständig ist, deutet die Existenz konservierter genomischer Kontexte auf wichtige Ansatzpunkte der Koregulation hin. Könnte es sein, dass in diesen Genclustern das fehlende Puzzlestück zur Erklärung der Synchronisierung von Volumenwachstum und Oberflächenexpansion liegt? Um diese Frage zu beantworten, werden in dieser Arbeit drei Fragestellungen bearbeitet. Zunächst entwickeln wir ein Genomvergleichstool (www.GenCoDB.org), dass die ständig wachsende Verfügbarkeit von sequenzierten bakteriellen Genomen nutzt, um die Analyse, den Vergleich und die Quantifizierung von Genomkontexten zu erleichtern. Dies beruht auf neuartigen Strategien, um die Breite der Genomdaten, die auf rechnerisch effiziente Weise verfügbar sind, zu berücksichtigen, die Wirkung von Probenahmeverzerrungen, die sich in den meisten bakteriellen Datensätzen finden lassen, zu verringern und sicherzustellen, dass Kandidaten für ihren evolutionären Kontext als signifikant angesehen werden können. Die Verfügbarkeit von GenCoDB wird die genomische Kontextforschung in der Mikrobiologiegemeinschaft erleichtern und den Zugang von Nicht-Bioinformatikern zu dieser Quelle wichtiger biologischer Daten verbessern. Mit unseren neuen Erkenntnissen zu genomischen Nachbarschaftsdaten untersuchen wir anschließend die Evolution konservierter Gencluster und versuchen mögliche Kandidaten zur Regulation der Volumen-Oberfläche zu identifizieren. Beim Nachvollziehen der Verwandschaftsverhältnisse von Genclustern im gesamten Bakterienreich stellen wir fest, dass die Co-Orientierung stark konserviert ist, was jedoch weder den späteren Kontext um das Cluster herum noch die Expansion des Clusters beeinflusst. Wir finden heraus, dass die vertikale Übertragung und nicht der horizontale Gentransfer der treibende Faktor für das Auftreten von Genclustern in Chromosomen ist und dass Cluster an Origin und Terminator mit größerer Wahrscheinlichkeit instand gehalten werden. Schließlich stellen wir fest, dass trotz der scheinbaren Häufigkeit der Operon-Organisation in Genclustern, diese eher aufgrund anderer selektiver Belastungen wie Protein-Protein-Interaktionen innerhalb des Clusters und des essentiellen Statuses ihrer Gene aufrechterhalten werden, und dass Operons ein Produkt der Co-Lokalisierung über die evolutionäre Zeit zu sein scheinen. Wir identifizieren einen einzelnen Gencluster-Kandidaten, der allen Anforderungen gerrecht wird, die unserer Meinung nach für die Homöostase des Zellwachstums der Oberflächenexpansion erforderlich sind. Die Anforderungen sind eine hohe Verbreitung innerhalb von Bakterien sowie eine Verbindung zwischen ribosomenassoziierten Proteinen (Wachstum) und Zellhüllesynthese. In Übereinstimmung mit unseren Evolutionsstudien finden wir heraus, dass das Cluster zwar ko-reguliert ist, dies aber nicht der selektive Druck zu sein scheint, der diese verschiedenen Prozesse zusammenführte. Stattdessen finden wir eine potenzielle Rolle des genomischen Channellings, das die Produktion von Pyrimidinen mit der Synthese der Zellhülle verknüpft, die von der Co-Lokalisierung dieses Clusters abhängig ist. Insgesamt wird diese Arbeit das Verständnis der Chromosomenentwicklung in Bakterien und die potenziellen Auswirkungen des genomischen Kontextes auf die Metabolitenverwertung erweitern. Es stellt die Rolle von Operons und horizontalem Gentransfer bei der langfristigen Entwicklung der Genordnung in Frage und bietet eine neue quantitative und statistische Ressource, die den Zugang zu über 1,9 Millionen Gen-Nachbarschaften ermöglicht.