Mechanismen von Populationsdynamiken in Bakterien — die Verknüpfung von Genexpressionsdynamiken und individuellen demographischen Schicksalen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Evolution und Populationsdynamiken werden durch einfache demografische Ereignisse bestimmt - das Überleben und die Fortpflanzung von Individuen. Hierbei hängt Überleben und Fortpflanzung vom Genotyp eines Individuums und der Umwelt ab. Doch selbst isoklonale Individuen, die unter streng kontrollierten Bedingungen aufwachsen, können sich in ihren demografischen Schicksalen unterscheiden. Diese nicht-genetische und nichtumweltbedingte phänotypische Varianz sollte die Heterogenität der demografischen Schicksale bestimmen und dieser Zusammenhang steht im Mittelpunkt dieses Projektes. Hierbei untersuchten wir die zugrundeliegenden Mechanismen welche eine solche Heterogenität verursachen, indem wir Genexpressionsdynamiken und ihre stochastischen und deterministischen Eigenschaften mit Hilfe von Einzelzell-Bakteriendaten in einem mikrofluidischem Aufbau sammelten und auswerteten. Diese Auswertungen wurden auch mit darauf abgestimmter mathematischer Modellierung unterstützt. Wir fanden, wie vorhergesagt, starke stochastische Genexpressionsdynamiken innerhalb von Zellen, wobei sich die stochastischen Eigenschaften unter Zielgenen oder zwischen Chaperonen welche an der Proteinfaltung beteiligt sind, unterscheiden. Wir konnten zeigen, wie Genexpressionsasymmetrien zwischen Mutter- und Tochterbakterienzellen zur Heterogenität des Wachstums und der Teilung beitragen. Eine solche Asymmetrie der Genexpression entsteht bereits als Expressionsgradient innerhalb der Mutterzelle vor der Teilung, und diese Asymmetrie nimmt mit dem Zellalter zu. Anders als erwartet, nimmt das Genexpressionssignal nicht deterministisch mit dem Alter zu und kann daher nicht, auf einfache Weise, demografische Schicksale vorhersagen, obwohl vor dem Tod die stressbedingte Genexpression zunimmt. Darüber hinaus haben wir mathematische Modelle entwickelt, welche Genexpressionsdynamiken - oder damit verbundene vermutete akkumulierte Schäden - mit demografischen Schicksalen und Populationsdynamiken verbinden. Zusammengenommen zeigen wir ein Zusammenspiel zwischen stochastischen und deterministischen Aspekten von Asymmetrien in Genexpression, Wachstum und Alterung. Damit untermauern wir Erkenntnisse und liefern Vorhersagen über die Evolution solcher Heterogenität und den Einfluss solcher Heterogenität auf die Evolution. Wir geben tiefere Einblicke in grundlegende evolutive Aspekte der neutralen Variabilität, welche uns Einblicke in angewandte Aspekte wie der phänotypischen Resistenz gegen Antibiotika gibt. Letztere kann z.B. zum Scheitern klinischer Antibiotikabehandlung führen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Declining old pole physiology gradually enhances gene expression asymmetry in bacteria.
Proenca, Audrey M.; Tuğrul, Murat; Nath, Arpita & Steiner, Ulrich K.
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Demographic Consequences of Damage Dynamics in Single-Cell Ageing.
Tuğrul, Murat & Steiner, Ulrich K.
