Stochastic gene expression in bacteria: effects of regulatory RNAs on population profiles

• Antragsteller: Professor Dr. Bork Berghoff
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 229046453

Organsimen passen sich ihrer Umgebung durch eine adäquate Expression ihres genetischen Repertoires an. Gerade einzellige Organismen müssen unmittelbar auf ihre Umwelt reagieren, um zu überleben. Dabei werden durch einzelne Regulationsfaktoren häufig komplexe zelluläre Programme eingeschaltet, die den Phänotyp der Zellen maßgeblich beeinflussen. In Populationen genetisch identischer Zellen entwickeln sich aufgrund stochastischer Ereignisse regelmäßig Subpopulationen mit unterschiedlichen Phänotypen. Auch in bakteriellen Populationen führt die stochastische Expression von Genen zu einer erhöhten Heterogenität. Die resultierenden Subpopulationen befinden sich entweder im "ON"- oder "OFF"-Zustand für bestimmte zelluläre Programme. Dies führt zu bistabilen Expressionsmustern und somit zu unterschiedlichen Phänotypen, bzw. Verhaltensmustern. Dies lässt sich bei einigen bakteriellen Merkmalen beobachten, so z.B. bei der Sporulation oder Kompetenz. Bisher ist jedoch nur wenig dazu bekannt, inwieweit sRNAs, die auf post-transkriptionaler Ebene wirken, als Determinanten für den Wechsel zwischen "ON"- und "OFF"-Zuständen wirken können. Um dieser Fragestellung nachzugehen, habe ich zwei relevante Modellsysteme in E. coli gewählt: die Entwicklung von persistierenden Zellen und von Biofilmen. Beide Prozesse haben einen maßgeblichen Einfluss auf die Antibiotikaresistenz und sind daher von hoher Relevanz. Es ist bekannt, dass das wachstumshemmende Toxin TisB, welches von der sRNA IstR-1 reguliert wird, die Häufigkeit von persistierenden Zellen erhöht. Die Entwicklung von Biofilmen wird durch den Hauptregulator CsgD gesteuert, der die Synthese von Curli-Fimbrien und Cellulose beeinflusst. CsgD wiederum wird durch mindestens zwei sRNAs (OmrA und OmrB) reguliert. Die Expression der Zielproteine (TisB und CsgD), die mit fluoreszierenden Proteinen markiert sind, soll in unterschiedlichen Stämmen hinsichtlich der Expression der entsprechenden sRNAs (Deletion/Überexpression) untersucht werden. Der stochastisch bedingte Wechsel zwischen Subpopulationen und deren Verhältnis zueinander werden mithilfe von FACS Analysen dokumentiert. Zudem werden neueste Mikroskopieverfahren für Mikroströmungselemente genutzt, um Effekte auf Ebene einzelner wachsender Zellen in Echtzeit nachzuweisen. Phänotypische Untersuchungen werden diese Experimente ergänzen. Der Wechsel zwischen unterschiedlichen Phänotypen liegt vielen bakteriellen Eigenschaften zugrunde. Mein Projekt hat das Ziel, die Rolle und Mechanismen von sRNAs in Hinblick auf Bistabilität und Stochastik im Allgemeinen aufzuklären.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: Schweden
• Gastgeber: Professor Dr. Gerhart Wagner