Comprehensive phylogenetic study of ECF sigma factors

Extracytoplasmatisch wirkende (ECF) σ-Faktoren sind die minimalistischsten Mitglieder der σ70 Familie. ECFs und ihre Aktivitätsregulatoren sind eine der wichtigsten Signaltransduktionsmechanismen, die es Bakterien ermöglichen auf extrazelluläre Änderungen zu reagieren. Neben der bakteriellen Homöostase, ECFs sind im Allgemeinen wirtsunabhängig und funktionell orthogonal, wodurch sie besonders attraktiv für die Konstruktion von bakteriellen synthetischen Schaltkreisen sind. In silico Identifizierung von Paaren aus ECFs, ihren Zielpromotoren und ihren Regulatoren ist insbesondere deshalb einfach, weil ECFs und ihre Regulatoren typischerweise in derselben genetischen Nachbarschaft und üblicherweise im selben Operon kodiert sind. Außerdem erkennen ECFs üblicherweise ihre eigenen Promotoren. Frühere Arbeiten haben gezeigt, dass eine Korrelation zwischen der ECF Proteinsequenz, also der phylogenetischen Gruppe, und dem Regulationstyp, sowie dem Zielpromoter besteht, was zeigt, dass die phylogenetische Klassifizierung von ECFs essentiell für das Verständnis der Regulationsmodi ist. Die hohe Anzahl an sequenzierten bakteriellen Genomen, die aktuell in Datenbanken hinterlegt ist, legt nahe, dass eine ECF-Reklassifizierung unser Verständnis über ECF-Regulation erweitern würde. Diese Arbeit befasst sich mit der Analyse der wichtigsten Regulationsmechanismen, die in einer umfassenden Klassifizierung der ECF-σ-Faktor Unterfamilie gefunden wurden. Für dieses Projekt habe ich zuerst die ECFs aus allen bakteriellen Genomen extrahiert, die in NCBI hinterlegt sind. Ich habe mehr als 170000 einzigartige Proteinsequenzen identifiziert, die wahrscheinlich als ECFs wirken. Dies resultiert in einer 50-fachen Erweiterung im Vergleich zu der vorherigen ECF-Sammlung. Anschließend habe ich die konservierten σ-Domänen dieser Proteine in mehr als 150 phylogenetische Gruppen gruppiert, von der jede mit einem konservierten Regulator assoziiert ist. Ich habe die ECF-Gruppen in Bezug auf ihre möglichen Regulatoren und Zielpromotoren, taxonomische Verbreitung, sowie ihrer mögliche Funktion beschrieben. In den meisten Gruppen, Anti-σ-Faktoren sind die wichtigsten Regulatoren, gefolgt von C-terminalen Verlängerungen des Proteins und Serin/Threonin-Kinasen, die möglicherweise ECFs phosphorylieren. Ich habe Hypothesen über neue, alternative Regulationsmechanismen für einige ECF-Gruppen aufgestellt. Durch die Nutzung von bioinformatischen Methoden und in Zusammenarbeit mit experimentell arbeitenden Gruppen, habe ich mich auf die wichtigsten regulatorischen Elemente von ECFs fokussiert, um ihre Regulationsmechanismen aufzudecken. Im Fall der Anti-σ-Faktoren habe ich mich auf den häufigsten Typ, Klasse I Anti-σ-Faktoren, fokussiert um zwei gemeinsame Bindungsoberflächen zwischen ECF und Anti-σ-Faktoren zu entdecken. Anschließend habe ich mich mit den drei häufigsten ECF Gruppen befasst, die mit C-terminalen Verlängerungen assoziiert sind, wodurch ich eine verschiedenartige Rolle dieser Sequenz in der Kontrolle der ECF-Aktivität in den verschiedenen Gruppen zeigen konnte. Abschließend habe ich mich auf Serin/Threonin-Kinasen konzentriert, um zu entdecken, dass Phosphorylierungen für den Mangel an negativen Ladungen in einer der wichtigsten Bindeoberflächen zwischen RNA-Polymerase und ECF-σ-Faktoren kompensiert. Zusammenfassend bietet diese Arbeit der wissenschaftlichen Gemeinschaft einen umfassenden Überblick über phylogenetische Gruppen von ECF-σ-Faktoren ihrer Zielpromotoren und Funktionen, sowie wichtige Einblicke in einige ihrer wichtigsten Regulationsmechanismen.