Mechanismus und Funktion des Programmierten Zelltodes in Caulobacter crescentus

• Antragstellerin: Dr. Kathrin Fröhlich
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 258915568

Der Programmierte Zelltod (programmed cell death; PCD) ist ein für Wachstum und Entwicklung mehrzelliger Organismen essentieller Prozess. Wird dieses genetische Programm angeschaltet, so können überzählige oder schadhafte Zellen gezielt aus dem System entfernt werden. Seit einiger Zeit wird der PCD auch in Bakterien untersucht. Ausgelöst durch Stress kommt es zum Absterben eines Teils einer Bakterienpopulation z.B. durch die Aktivierung von Toxin-Antitoxin Systemen oder eines lysogenen Phagen. Für das Modellbakterium Caulobacter crescentus wurde vor kurzem eine neue Form des bakteriellen PCD beschrieben. Eine starke Schädigung der DNA löst die SOS-Antwort aus, ein Stressprogramm, das den Zellzyklus anhält und die Reparatur der DNA veranlasst. Bleibt das genetische Material längerfristig geschädigt, so reagiert Caulobacter mit der Expression des Proteins BapE. Im Gegensatz zu anderen Faktoren des SOS-Regulons ist BapE nicht an der DNA-Reparatur beteiligt, sondern induziert den Tod der geschädigten Zelle indem es als Endonuklease das Genom schneidet. In meinem Projekt werde ich den durch BapE induzierten Zelltod in C. crescentus als Modell nutzen, um grundsätzliche Fragen zum PCD in Bakterien zu beantworten. Zunächst werde ich die molekularen Mechanismen analysieren, die der Expression und Aktivität von BapE zu Grunde liegen. Dazu werde ich die Organisation des bapE Promotors untersuchen und die Elemente definieren, die für die transkriptionale Kontrolle des Gens verantwortlich sind. Weiterhin werde ich den Mechanismus bestimmen, der zum programmierten Zelltod durch die Endonuklease führt, da BapE keine Ähnlichkeit zu charakterisierten bakteriellen Proteinen aufweist. Mittels eines Mutagenese-Experiments werde ich die für Erkennung und Restriktion der DNA entscheidenden Domänen von BapE definieren. Zusätzlich werde die Schnittstellen des Chromosoms nach Induktion von BapE in vivo durch Chromatin-Immunopräzipitation definieren. In der Folge werde ich die Funktion des bakteriellen PCD erörtern, indem ich die Rolle von BapE für Wachstum und Überleben von Caulobacter untersuche. Der induzierte Zelltod des Bakteriums als letzte Konsequenz der Stressantwort auf DNA-Schädigung in Caulobacter weist Parallelen zur eukaryotischen Apoptose auf. Jedoch bleibt der unmittelbare Nutzen des Zelltodes für einen einzelligen Organismus im Unklaren. Berücksichtigt man die Tatsache, dass der Großteil der Bakterien in Gemeinschaften (Biofilmen), organisiert und für ihr Überleben aufeinander angewiesen sind, so könnte der PCD innerhalb einer solchen Gruppe eine Rolle für das Wachstum von Caulobacter spielen. Um diesen Ansatz zu verfolgen, werde ich Mikrofluidik-Plattformen verwenden, und die Vermehrung von Caulobacter innerhalb eines strukturierten Biofilms untersuchen. Eine mögliche räumliche Koordination der Aktivität von BapE innerhalb eines Biofilms werde ich durch mikroskopische Analyse des Expressionsmusters fluoreszenter Reporter analysieren.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Dr. Zemer Gitai, Ph.D.