Bitte verwenden Sie diesen Link, wenn Sie dieses Dokument zitieren oder verlinken wollen: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:9-001289-1

Integration of the sigmaB regulon into the regulatory network of Bacillus subtilis

  • The general stress response comprises approximately 200 genes and is driven by the alternative sigma factor SigB. Besides the process of sporulation with approximately 500 involved gene products under initial control of Spo0A are the two most significant and extensive cellular responses that can be observed in B. subtilis. The general stress response provides vegetative growing as well as non-growing and non-sporulating cells with a comprehensive cross-protective and preventive multiple stress resistance to various hostile environmental conditions. In contrast, the endospore is the most resistant but also dormant cell type produced by B. subtilis. The scope of this study was the identification of regulatory cascades driven by the general stress response sigma factor SigB to further elucidate the structure and function of the general stress regulon itself and to uncover potential intersections between the SigB response and other major developmental programs in the regulatory network of B. subtilis. It could be shown that the general stress regulon member yqgZ encodes a functional paralogue of Spx, the global regulator of the diamide stress regulon in B. subtilis. Global transcriptome and proteome studies led to the characterization of an YqgZ sub-regulon consisting of 53 positively and 18 negatively regulated genes. Due to its stringent SigB-dependent expression as well as its concerted action with SigB in regulation of its target genes YqgZ was renamed to MgsR which stands for “modulator of the general stress response”. Activity control of MgsR is stringently controlled at multiple levels. In addition to induction by SigB these mechanisms include (i) a positive autoregulatory loop of MgsR on the transcription level of its own structural gene, (ii) a post-translational redox-sensitive activation step by the formation of an intramolecular disulfide-bond within a conserved -CXXC-motif and (iii) rapid proteolytic degradation of MgsR by the ClpCP and ClpXP proteases, resul ting in extremely short in vivo half-lifes below 6 minutes. It was demonstrated that the activation of SigB is a prerequisite but not sufficient for a full expression of all general stress genes and that the SigB-dependent expression of MgsR provides the opportunity for additional redox-sensitive signal-reception, -processing and -integration beyond the primary decision of SigB activation. Our results describe a regulatory cascade integrating secondary oxidative stress signals into a SigB mediated regulatory cascade that is aimed at a precise fine tuning of target gene expression whose products are necessary for proper management of oxidative stress. Although primary oxidative stress stimuli do not typically induce SigB, our observation of redox-sensitive control by MgsR and several other reports that pointed at the implication of the general stress proteins in oxidative stress management led to the proposal that secondary oxidative stress may be a common component of multip le severe physical stress stimuli. This assumption could be supported by the results of a comprehensive phenotype screening of 94 mutants in single general stress genes upon treatment with hydrogen peroxide and the superoxide generating agent paraquat. A substantial amount of 62 mutants (66%) displayed significantly decreased survival rates in response to oxidative stress. The information gained by this phenotypic screening analysis provides a valuable basis for more directed assays to elucidate the biochemical functions of many so far uncharacterized general stress proteins and demonstrates that the SigB response and the regulatory fine tuning by MgsR plays a pivotal role in protection from secondary oxidative stress. Furthermore, it has been intensively discussed throughout the literature of the last years that the general stress response and the process of sporulation may represent mutually exclusive survival strategies of a non-growing B. subtilis cell, but the molecular basis for this assumption was missing until recently. By the identification of a functional SigB-type promoter (PsigB) adjacent to the spo0E, this gene was newly assigned to the general stress regulon. The spo0E gene encodes a phosphatase that specifically inactivates the master regulator of sporulation Spo0A~P by dephosphorylation. The SigB dependent induction of spo0E causes a block of sporulation specific transcription and produces a sporulation deficient phenotype. This effect was overcome by a deletion of the spo0E-SigB promoter, thus clearly addresses SigB activity. This regulatory mechanism is the first example for an integration of SigB inducing stimuli into the decision making process of sporulation initiation that provides a link to interconnect these two dominant and very likely mutually exclusive responses in the regulatory network of B. subtilis. The data presented here provide deeper insights into the structure and function of the general stress regulon in stress management.
  • Die generelle Stressantwort umfasst etwa 200 Gene und ist unter Kontrolle des alternativen Sigma-Faktors SigB. Neben dem Sporulationsvorgang mit etwa 500 involvierten Genprodukten unter initialer Kontrolle von Spo0A, stellen diese beiden die signifikantesten zellulären Prozesse dar, die in Bacillus subtilis beobachtet werden können. Die generelle Stressantwort stattet sowohl vegetative als auch nicht-vegetative, nicht-sporulierende Zellen mit einer umfassenden, kreuzreaktiven und präventiven Stressresistenz gegen eine Vielzahl schädlicher Umwelteinflüsse aus. Im Gegensatz dazu ist die Endospore zwar die stressresistenteste aber auch dormante Zellform die von B. subtilis ausgebildet wird. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Identifikation SigB vermittelter regulatorischer Kaskaden zur weiteren Entschlüsselung der Struktur und Funktion des generellen Stress-regulons selbst, sowie die Suche nach potentiellen Verknüpfungen zwischen der SigB Antwort und weiteren Entwicklungsprogrammen im regulatorischen Netzwerk. Es konnte gezeigt werden, dass das generelle Stressgen yqgZ für ein funktionelles Paralog des globalen Regulatorproteins der Diamid-Stressantwort, Spx, kodiert. Globale Transkriptom- und Proteomstudien führten zur Charakterisierung eines YqgZ regulierten Sub-regulons, welches aus 53 positiv und 18 negativ regulierten Genen besteht. Aufgrund der streng SigB-abhängigen Expression von yqgZ, sowie des Zusammenwirkens von YqgZ und SigB bei der Regulation ihrer Zielgene wurde YqgZ in MgsR umbenannt, was für „modulator of the general stress response“ steht. MgsR selbst unterliegt dabei einer multiplen und strengen Aktivitätskontrolle. Zusätzlich zur strikt σB abhängigen Expression kommen (1.) ein positiver Autoregulationszyklus von MgsR auf die Transkriptionsinitiation seines kodierenden Gens mgsR, (2.) ein post-translationaler redox-sensitiver Aktivierungsschritt durch die Ausbildung einer intramolekularen Disulfidbindung innerhalb eines konservierten -CXXC-Motivs und (3.) schnelle proteolytische Degradation durch die ClpCP- und ClpXP-Proteasen welche in in vivo Halbwertszeiten von unter 6 min resultieren. Es konnte gezeigt werden, dass die Aktivierung von SigB eine Voraussetzung, diese aber nicht hinreichend ist, um alle generellen Stressgene in vollem Maße zu exprimieren. Die Expression des sekundären Regulators MgsR ermöglicht die Wahrnehmung, Verarbeitung und Integration von redox-sensitiven Signalen nach der primären Aktivierung von SigB. Dies stellt eine SigB und MgsR vermittelte regulatorische Kaskade dar, die sekundäre oxidative Stress-Signale integriert und auf eine präzise Feinabstimmung der Zielgenexpression ausgerichtet ist, deren Produkte für eine Bewältigung von oxidativem Stress notwendig sind. Obwohl primärer oxidativer Stress kein typischer SigB indizierender Stimulus ist, führten die Beobachtung der redox-sensitiven Aktivierung von MgsR sowie viele weitere Befunde zu der Annahme, dass sekundärer oxidativer Stress ein Resultat und gemeinsame Komponente vieler SigB induzierender Stress Stimuli darstellt und die generellen Stressproteine maßgeblich an der Ausbildung einer oxidativen Stressresistenz beteiligt sind. Die Resultate eines umfassenden Phänotyp-screenings von 94 generellen Stressgen-Mutanten nach Paraquat und Wasserstoffperoxid Stress zeigten, dass ein substantieller Anteil von 62 Stämmen (66%) eine signifikante Verminderung der Überlebensraten in Folge von oxidativem Stress aufweist. Diese Informationen stellen eine wichtige Basis für zukünftige gezielte Untersuchungen einzelner genereller Stressproteine und deren bislang ungeklärter biochemischer Funktion dar und zeigen deutlich die physiologische Relevanz der MgsR abhängigen Regulation in der Bewältigung von sekundärem oxidativen Stress. In der Literatur der letzten Jahre wird eine intensive Diskussion über die Rolle und mögliche Verknüpfung der generellen Stressantwort und dem Sporulationsprozess in Form zweier alternativer und gegensätzlicher Überlebensstrategien als mögliche Stationär-phaseadaptation von B. subtilis geführt, ein zugrundeliegender molekularer Mechanismus für eine mögliche Abgrenzung konnte bis hierher jedoch nicht nachgewiesen werden. Durch die Identifikation eines funktionellen SigB Promoters (PsigB) vor dem Gen spo0E konnte dieses dem generellen Stressregulon neu zugeordnet werden. Das spo0E Gen kodiert eine Phosphatase, die spezifisch den Hauptregulator der Sporulationsinitiation Spo0A~P dephosphoryliert und inaktiviert. Eine SigB abhängige Expression von Spo0E führt zur Blockade sporulations-spezifischer Transkription und verursacht stark verminderte Sporulationsraten. Dies stellt den ersten Mechanismus einer effizienten Integration SigB induzierender Stimuli in die entscheidungsfinden de Regulationskaskade der Sporulationsinitiation dar. Die hier gezeigten Daten tragen zu einem tieferen Verständnis der Struktur und Funktion des generellen Stressregulons bei.

Download full text files

Export metadata

Additional Services

Share in Twitter Search Google Scholar
Metadaten
Author: Alexander Reder
URN:urn:nbn:de:gbv:9-001289-1
Title Additional (English):Integration of the sigmaB regulon into the regulatory network of Bacillus subtilis
Title Additional (German):Integration des sigmaB Regulons in das regulative Netzwerk von Bacillus subtilis
Advisor:Prof. Dr. Michael Hecker
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2012/08/21
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2012/08/10
Release Date:2012/08/21
Tag:Bacillus subtilis, SigB, Sporulation, generelle Stressantwort, regulatorisches Netzwerk
Bacillus subtilis, SigB, general stress response, regulatory network, sporulation
GND Keyword:Bacillus subtilis, SigB, general stress response, regulatory network, sporulation
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Abteilung für Mikrobiologie und Molekularbiologie
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 570 Biowissenschaften; Biologie