Polyploidy in halophilic Archaea: Evolutionary advantages and molecular regulation.
Final Report Abstract
Das Haloarchaeon Haloferax volcanii ist polyploid, wie auch alle anderen bislang untersuchten haloarchaealen Arten aus mehreren Gattungen. Polyploidie kann unterschiedliche evolutionäre Vorteile haben, von denen einige experimentell untersucht worden sind. Schon in vorhergehenden Projekten konnte z.B. gezeigt werden, dass die vielen Genomkopien nicht nur als genetisches Material dienen, sondern auch als Phosphatspeicherpolymer, oder dass Zellen mit vielen Genomkopien Austrocknung wesentlich besser überleben als Zellen mit wenigen Genomkopien. Die Genomkopienzahl wird in Abhängigkeit von der Wachstumsphase und von äußeren Bedingungen differentiell reguliert, so enthalten H. volcanii Zellen nach Wachstum ohne äußere Phosphatquelle nur zwei Genomkopien, nach Phosphatzugabe jedoch mehr als 50 Genomkopien. Ein Fokus des Projektes lag daher auf der Untersuchung der Regulation der Genomkopienzahl. Da die Zahl der Genomkopien durch die Anzahl der Replikationsstarts je Zellzyklus bestimmt wird, wurden zunächst zwei der vier Replikationsursprünge (ORIs) des Hauptchromosoms von H. volcanii und ihre benachbarten Gene untersucht. Dies geschah sowohl durch die Generierung von Deletionsmutanten als auch durch die Konstruktion von „Haloarchaeal Artificial Chromosomes“ (HACs). Es konnte gezeigt werden, dass beide ORIs in die Regulation der Genomkopienzahl involviert sind, vor allem aber, dass die beiden ORIs trotz des sehr ähnlichen Aufbaus extrem unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. In Haloarchaea besteht ein ORI aus DNA Motiven und einem direkt benachbarten orc Gen für ein Origin Recognition Complex (ORC) Protein. H. volcanii enthält vier ORIs auf dem Hauptchromosom und je einen ORI auf zwei kleineren Chromosomen. Die Zahl der orc-Gene ist mit 16 jedoch erheblich größer als die der ORIs. Zur Untersuchung der Funktion der ORC-Proteine wurden insgesamt 12 orc-Gene deletiert, die somit nicht essentiell sind, im Gegensatz zu wenigen anderen. In allen 12 Deletionsmutanten und im Wildtyp wurden die Kopienzahlen der drei Chromosomen in der exponentiellen Wachstumsphase und der stationären Phase quantifiziert. Es wurde festgestellt, dass alle ORC-Proteine einen Einfluss auf die Kopienzahl von einem, zwei, oder sogar allen drei Chromosomen haben. An der Kopienzahlregulation sind somit nicht nur die ORI-nahen, sondern auch die ORI-fernen orc-Gene involviert, und die Kopienzahl wird durch ein extrem komplexes Netzwerk aus ORC- sowie auch weiteren Proteinen bestimmt. Diese Komplexität ist somit erheblich größer als in anderen archaealen Gruppen mit nur 1-3 ORIs und ORC-Proteinen oder in Bakterien mit nur einem Chromosom und einem ORI. Weitere Ansätze des Projektes beschäftigen sich mit der Regulation der Genexpression durch die Gendosis und mit vier Genen, deren Annotation eine Beteiligung am Polyphosphatstoffwechsel vermuten ließ. In beiden Fällen gab es sehr unerwartete und bis jetzt nicht erklärbare Ergebnisse. Zudem wurde die Ploidie und ihre Regulation in dem Cyanobakterium Synechococcus PCC 6803, in Bacillus subtilis und in drei Neuisolaten von (Paeni)Bacillus untersucht. Außerdem wurden Vorarbeiten zur Untersuchung der Genkonversion in H. volcanii durchgeführt, die inzwischen zum Start eines neuen Projektes geführt haben.
Publications
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(2016) The ploidy level of Synechocystis sp. PCC6803 is highly variable and is influenced by growth phase and by chemical and physical external parameters. Microbiol 162, 730-739
Zerulla, K., Ludt, K., Soppa, J.
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(2017) Characterization of copy number control of two Haloferax volcanii replication origins using deletion mutants and Haloarchaeal Artificial Chromosomes. J Bacteriol 200, e00517-17
Maurer, S., Ludt, K, Soppa, J.
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(2017) Polyploidy and community structure. Nature Microbiology 2, 16261
Soppa, J.
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(2018) Influence of origin recognition complex proteins on the copy numbers of three chromosomes in Haloferax volcanii. J Bacteriol 200, e00161-18
Ludt, K., Soppa, J.
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(2018) Polyploidie in Prokaryoten: Verbreitung und evolutionäre Vorteile. Biospektrum 3/2018:243-245
Ludt, K., Soppa, J.
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(2018) Regulated ploidy of Bacillus subtilis and three new isolates of Bacillus and Paenibacillus. FEMS Microbiol Lett 365
Böttinger, B., Semmler, F., Zerulla, K., Ludt, K., Soppa, J.
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(2019) Polyploidy in halophilic Archaea: Regulation, evolutionary advantages, and gene conversion. Biochem Soc Trans 47, 933-944
Ludt, K., Soppa, J.
