Chromosomenorganisation in Corynebacterium glutamicum: Informationsspeicher in 3D

• Antragsteller: Professor Dr. Marc Bramkamp
• Fachliche Zuordnung: Mikrobielle Ökologie und Angewandte Mikrobiologie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 258303182

Die Länge des DNA-Moleküls eines bakteriellen Chromosoms übersteigt die Größe einer Zelle um drei Größenordnungen. Daher ist das bakterielle Genom in hoch-organisierter Weise in ein Kompartiment, das Nukleoid, verpackt. Dabei muss diese Organisation dynamische Prozesse, wie die DNA-Replikation, Segregation und Transkription zuverlässig ermöglichen. In den letzten Jahren wurde gezeigt, in welch vielfältiger Weise Protein-DNA Interaktionen das Nukleoid strukturieren und wie die Faltung des Nukleoid wichtige zelluläre Prozesse wie Zellteilung beeinflusst. Die wesentlichen Erkenntnisse zur Organisation des Nukleoid stammen von Daten, die mit den klassischen Modelorganismen Escherichia coli, Bacillus subtilis oder Caulobacter crescentus gewonnen wurden. In einer ersten Förderperiode haben wir die Organisation des Nukleoids von Corynebacterium glutamiucm untersucht und dabei diesen Organismus als Model für die Aktinobakterien etablieren können. Untersucht wurden die Domänenstruktur, die Faltung des Chromosoms sowie seine Segregation. In den letzten drei Jahren konnten wir dabei zeigen, dass die Segregation der Replikationsursprünge (oriC) durch das ParABS System vermittelt wird. Wir konnten den Zellzyklus von C. glutamicum aufklären und ein neuartiges Verteilungsmuster der Chromosomen in Bakterien mit zwei, bipolar fixierten Chromosomen zeigen. Eine direkte Konsequenz dieser bipolaren Lokalisation ist, dass die Zellen diploid sind. Wir konnten ferner zeigen, dass die Replikationsinitiation vor dem Abschluss der vorherigen Replikationsrunde initiiert wird („multifork-replication“). Mittels HiC Kontaktmappen konnten wir zeigen, dass die Arme des zirkulären Chromosoms in engem Kontakt sind. Diese Interaktion wird durch Smc-ScpAB Komplexe vermittelt. Smc Mutanten verlieren diese DNA Kontakte, allerdings hat dies keinen Einfluss auf Wachstum, DNA-Segregation und Replikation, was die Frage nach der biologischen Rolle dieser DNA-Kontakte in C. glutamicum aufwirft. ParB ist essentiell für diese Smc-vermittelten DNA Kontakte ist, jedoch wurde eine mögliche Smc Bindestelle 13 kb vor den ParB Bindestellen auf dem Chromosom identifiziert. In der neuen Förderperiode werden wir die Beladung des Smc-Komplexes auf das Chromosom, sowie die Ultrastruktur des ParB Komplexes am Replikationsursprung untersuchen. Zu diesem Zweck wurden bereits alle 10 parS Sequenzen deletiert und wir haben begonnen einzelne parS Sequenzen an ektopischen Punkten in das Genom zu integrieren. Mit Hilfe von Lokalisationsmikroskopie (PALM), eine Technik die bereits im Labor etabliert ist, werden wir die ParB Organisation in verschiedenen Stammhintergründen untersuchen und eine SMC/ParB Kolokalisation mit Hilfe von Zweifarben-PALM analysieren. Zurzeit ist unklar, ob und wenn ja wie, sich die Organisation des Chromosoms von C. glutamicum unter Stressbedingungen ändert. Um diese Frage zu adressieren wird die Organisation des Chromosoms mit Techniken wie HiC und bildgebenden Verfahren analysiert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen