Zellteilung und Chromosomensegregation in Corynebacterium glutamicum

Schwaiger, Astrid (2009). Zellteilung und Chromosomensegregation in Corynebacterium glutamicum. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

Das Gram-positive, stäbchenförmige Bodenbakterium Corynebacterium glutamicum gehört zu den Mykolsäure-haltigen Actinomyceten und durchläuft eine für Coryneforme typische V-förmige Zellteilung. Zellteilungsmechanismen sind im Wesentlichen in den stäbchenförmigen Modellorganismen Escherichia coli und Bacillus subtilis untersucht worden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Mechanismen der Chromosomentrennung und des Chromosomenschutzes gegen eine Teilung durch das Septum sowie Regulatoren der Lokalisation der Zellteilungsebene in C. glutamicum untersucht. Da C. glutamicum keinerlei Gene für bisher beschriebene Proteine des Chromosomenschutzes besitzt, wurde die Frage bearbeitet, inwiefern dieser Organismus die korrekte Aufteilung des Erbguts auf die beiden Tochterzellen und die Lokalisation des Septums zwischen den beiden segregierten Chromsomen gewährleistet. So konnte gezeigt werden, dass das Par System in C. glutamicum, welches aus einem parAB Operon und einer zusätzlichen ATPase ParA2 besteht, als negativer Regulator der FtsZ Polymerisation agiert und somit die Platzierung des Septums negativ reguliert. Eine Überexpression von ParA1 und ParA2 führte zu signifikant verlängerten Zellen. Zudem konnte gereinigtes ParA1 und ParA2 die Polymerisation von FtsZ in vitro inhibieren. So schützen beide ParA ATPasen, die unspezifisch an DNS binden, das Chromosom gegen fatale Septumbildung. Dabei bildet ParA1 innerhalb der Zelle große Strukturen über dem gesamten Chromosom aus, während ParA2 hauptsächlich in kleinen Bereichen am Septum und an den Polen lokalisiert ist. Weiterhin konnte nachgewiesen werden, dass ParB eine hoch-konservierte parS Sequenz spezifisch bindet, welche dreimal auf dem Genom nahe der oriC Region von C. glutamicum identifiziert werden konnte. ParB kolokalisierte mit der oriC Region, was das Modell, nach dem ParB in vivo an die parS Sequenzen bindet und so die Segregation initiiert, unterstützt. Weiterhin steigerte ParB die ATPase Aktivität von ParA2, während es die enzymatische Aktivität von ParA1 fast vollständig inhibierte. Dieses Ergebnis verstärkt die Annahme, dass beide ATPasen während der Zellteilung verschiedene Aufgaben wahrnehmen. So scheint ParA1 für den Schutz und die Segregation des Chromosoms und ParA2 für die Verankerung der Chromosome an den Zellpolen verantwortlich zu sein, was durch Untersuchungen mittels eines bakteriellen Zwei-Hybrid-Systems bestärkt wurde.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

Translated title:

Title	Language
cell division and chromosome segregation in Corynebacterium glutamicum	English

Translated abstract:

Abstract

Language

Corynebacterium glutamicum is a Gram-positive, rod-shaped soil bacterium belonging to the group of mycolic acid-containing actinomycetes. C. glutamicum undergoes a v-shaped cell division, which is specific for Mycobacteria. During bacterial cell division, negatively acting factors protect the cell poles and the nucleoid from aberrant division. Most rod-shaped bacteria such as Escherichia coli or Bacillus subitlis have a dual system to ensure correct division. Cell poles are usually protected by the Min system and nucleoids are protected by DNA-binding proteins that act as FtsZ polymerization inhibitors. Strikingly, the rod-shaped bacterium C. glutamicum has no Min system and hence division site selection completely relies on an elaborated nucleoid occlusion system. In bacteria, the Par system is comprised of ParA, ParB and parS sites and is involved in chromosome partitioning. Unlike most other organisms, C. glutamicum possesses an orphan parA2 gene in addition to the canonical parAB operon. In this work it could be shown that the Par System is involved in chromosome protection as well as regulating septum placement in C. glutamicum. Up-regulation of both ParA ATPases led to significant cell elongation. Investigation of sub-cellular localization of ParA1 and ParA2 showed, that ParA1 polymers spread all over the nucleoids, while ParA2 mostly remains at the origin region. ParB and the oriC region co-localize forming a centromere-like structure. Furthermore, purified ParB was able to shift a highly conserved parS sequence specifically, which could be found three times in vicinity of the oriC region in the genome of C. glutamicum. Biochemical studies with purified proteins showed that both ParA ATPases have an inhibitory effect on FtsZ polymerization acting as negative regulators of septum placement in C. glutamicum. Additionally, ParB increases the ATPase activity of ParA2 while inhibiting the enzymatic activity of ParA1 completely. This result indicates that both ATPases have a different function during cell division. Finally, using a bacterial Two-Hybrid system, it was demonstrated that ParA2 interacts strongly with ParB and another essential cell division protein. Therefore, a model is favoured, where ParA2 acts as an anchor for the chromosome to the polar region, while ParA1 is involved in protection and segregation of the chromosomes.

English

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