COIL-seq: Kartierung der dynamischen Struktur eines Cyanobakterienchromosoms

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Ilka Maria Axmann; Professor Dr. Peter Florian Stadler
• Fachliche Zuordnung: Bioinformatik und Theoretische Biologie ; Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen ; Strukturbiologie ; Zellbiologie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 282947395

Veränderungen der Struktur des Nukleoids (das bakterielle Chromosom) sind involviert in globale Änderungen der Genexpression und liegen einer homöostatischen Rückkopplungsregulation zugrunde, die das bakterielle Wachstum mit zur Verfügung stehenden Nährstoffen koordiniert. Im Gegensatz zu eukaryotischem und archaebakteriellem Chromatin ist bakterielle DNA nicht in Nukleosomen verpackt, sondern durch aktives negatives Supercoiling durch ATP-abhängige Gyrasen (Angriffspunkt gängiger Antibiotika) und nukleoid-assoziierte Proteine (NAP) organisiert. Von den bekannten NAP ist einzig das HU Protein in den meisten, wenn nicht sogar allen Bakteriengenomen konserviert. Bakterielle DNA ist also fundamental anders organisiert, aber die Datenlage ist äusserst schlecht, weit hinter der Unzahl an experimentellen und theoretischen Analysen zu Struktur und Dynamik eukaryotischer Nukleosomen. Unser Ansatz diese Schieflage zu korrigieren ist konzeptionell und methodisch sehr ähnlich einer erst kürzlich veröffentlichten Studie von Teves und Henikoff (Nat Struct Mol Biol 2014) über die Effekte von transkriptionsinduzierter DNA Torsionsspannung auf Nukleosomen in Drosophila; hier, um bakterielle Genomdynamik zu vermessen.Während das globale Wachstumsregulationsnetzwerk oft als homöostatisches System funktioniert, ist es in Cyanobakteriendynamisch und interagiert mit der 24 h Uhr der Bakterien. Eine lang bekannte aber schlecht verstandene Signatur der bakteriellen DNA Struktur (mit ca. 11,5 bp Periode) ist in polyploiden Cyanobakterien, in denen DNA Replikation nicht an Zellteilung sondern an Zellwachstum gekoppelt ist, besonders stark ausgeprägt. Diese beiden Beobachtungen machen Cyanobakterien zu idealen Kandidaten, um Zusammenhänge zwischen DNA Sequenz und Struktur in einem dynamischen natürlichen Kontext (diurnale RNA Transkription und DNA Replikation) zu messen. Wir schlagen deshalb eine vergleichende Analyse zweier Cyanobakterien vor:Synechocystis sp. PCC 6803, polyploid, ausgeprägte 11,5 bp Sequenzsignatur, und multiple Kopien der Proteine der circadianen Uhr vs. dem marinen Stamm Prochlorococcus MED4 mit genau gegenteiligen Eigenschaften.In beiden Spezies wollen wir die diurnale Dynamik (24 h Licht-Dunkel Zyklus) der lokalen DNA Torsionsspannung und der Bindestellen des HU Proteins mit neuesten Hochdurchsatzsequenzierungsmethoden messen. Die Hauptfragen, die wir damit zu beantworten hoffen, sind: Was ist der Zusammenhang zwischen Torsionsspannung (negatives oder positives DNA Supercoiling) und HU Bindung? Steht eine der beiden Phänomene direkt mit der ~11,5 bp Sequenzsignatur in Zusammenhang? Gibt es direkteZusammenhänge zwischen der lokalen Dynamik der DNA Torsionsspannung und der supercoiling-abhängigen circadianen Genexpression?

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen