Regulation of development by c-di-GMP in Myxococcus xanthus

Bei Myxococcus xanthus handelt es sich um ein Modellorganismus zur Untersuchung des soziale Verhaltens und der Zelldifferenzierung von Bakterien. Induziert durch Nährstoffmangel, starten die M.xanthus Zellen ein Entwicklungsprogramm, welches zur Bildung von Sporen gefüllten Fruchtkörpern und peripheren stäbchenförmigen Zellen außerhalb dieser Fruchtkörper führt. Der Abschluss dieses Entwicklungsprogramms hängt von der Regulierung der Motilität und der inter- und intrazellulären Signalübertragung durch nukleotid basierte Second Messenger wie (p) ppGpp und c-di-GMP ab. c-di-GMP ist ein allgegenwärtiges Signalmolekül, das verschiedene Prozesse in Bakterien reguliert. Zu diesen gehören Biofilmbildung, Synthese von Exopolysacchariden (EPS), Adhäsinen sowie Regulation der Beweglichkeit, das Fortschreiten des Zellzyklus und der Entwicklung.Für den abschluss des Entwicklungsprogramms von M. Xanthus ist eine Erhöhung und Anreicherung von c-di-GMP während des Prozesses nötig. Verantwortlich für diese Anreicherung von c-di-GMP und essentiell für die Entwicklung ist die Diguanylatcyclase (DGC), DmxB. PmxA hingegen ist eine aktive Phosphodiesterase (PDE) vom Typ der HD-GYP-Domäne. Eine ∆pmxA-Mutante weist einen Defekt in der Fruchtkörperbildung und eine verringerte Sporulation auf. In dieser Arbeit zeigen wir, dass dieser Defekte durch eine Komplementierung mit dem Wildtyp PmxA Protein wiederhergestellt werden kann. Dies ist mit einer enzymatisch inaktive PmxA-Variante des Proteins ist jedoch nicht möglich. PmxA keinen Einfluss auf den globalen zelluläre c-di-GMP Pool. Es reicherte sich in ähnlichen Mengen in aggregierenden Zellen und peripheren Stäben in dem WT und dem ∆pmxA Stamm an. Allerdings suggerieren die gewonnen Daten, dass PmxA zu einem lokalen intrazellulären Pool von c-di-GMP beitragen kann. PmxA war weder für die EPS-Akkumulation noch für die Typ-IV-Pili-Bildung in sich entwickelnden Zellen von Bedeutung. Für diese beiden Prozesse konnte bereits zuvor in M. xanthus gezeigt werden, dass sie während der Entwicklung durch c-di-GMP reguliert werden. ∆pmxA Mutantenzellen zeigen Hyperagglutination und Hyperadhäsion aufgrund einer beeinträchtigten extrazellulären Matrixverarbeitung. Globale Transkriptomanalysen der sich entwickelnden Wildtyp und ΔpmxA Zellen ergabte, dass 189 Gene unterschiedlich exprimiert werden. 120 und 69 waren damit höre oder niedriger in der ΔpmxA-Mutante exprimiert als im Wildtype. Interessanterweise, kodieren neun der 69 Genen, die im reduziertem Ausmaß exprimiert werden, für Serin-Protein-Kinasen, was auf einen Zusammenhang zwischen der c-di-GMP-Regulation und der Signalübertragung durch solche Kinasen während der Entwicklung hindeutet. Zusätzlich untersuchten wir die Expression von Genen, die Proteine codieren, die möglicherweise am Metabolismus und der Bindung von c-di-GMP beteiligt sind. Globale Transkriptomanalysen zeigten, dass neun von 66 Genen während der Entwicklung stark hoch reguliert werden. Unter Verwendung veröffentlichter ChIP-Seq-Daten stellten wir fest, dass 18 Gene (einschließlich dmxB und pmxA) Kandidaten für eine direkte Regulation durch den CRP-ähnlichen Transkriptionsfaktor MrpC sind. Dieser stellt ein Hauptregulator der Entwicklung da. Weiter zeigen wir, dass MrpC direkt an die pmxA- und dmxB-Promotoren binden kann und deren Aktivität positiv bzw. negativ reguliert. Um weiter zu verstehen welche Auswirkungen der schwankenden c-di-GMP-Spiegels auf M. xanthus hat, haben wir systematisch In-Frame-Deletionsmutationen in allen Genen generiert, die für PilZ-Domänenproteine kodieren, und ihre Rolle bei der Motilität und Entwicklung analysiert. Dadurch identifizierten wir zwei PilZ-Domänen-Proteine (MXAN_1087 und MXAN_2604), die die Umkehrfrequenz in T4P-abhängigen und gleitenden Bewegungen regulieren.