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Projekt
Determinanten der Differenzierung von Heterozysten in Multizellulären Cyanobakterien
Antragsteller
Professor Dr. Rolf Backofen; Professor Dr. Wolfgang R. Hess
Fachliche Zuordnung
Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
Förderung
Förderung seit 2022
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 503940974
Cyanobakterien der Ordnung Nostocales entwickeln Trichome in denen die Zellen über gap junctions miteinander kommunizieren und auf bestimmte Reize als Ganzes reagieren. Sie differenzieren mehrere Zelltypen, darunter auf die Fixierung von Luftstickstoff (N2) spezialisierte Heterozysten. Damit erfüllen diese Cyanobakterien alle Merkmale echter mehrzelliger Organismen. Heterozysten und benachbarte photosynthetisch aktive vegetative Zellen hängen auf metabolischer Ebene entscheidend voneinander ab, was die Heterozysten-spezifische N2-Fixierung zu der emergenten Funktion macht, die es ermöglicht, in stickstoffarmen Umgebungen zu überleben. Unter Stickstoffmangel differenzieren sich reife Heterozysten innerhalb von 24 h aus vegetativen Zellen, wodurch der Prozess für detaillierte Untersuchungen zugänglich wird. Unsere konfokale Mikroskopie mit geeigneten Promotor-Reporter-Genfusionen und Durchflusszytometrie-Analysen einzelner Zellen zeigten jedoch, dass diese vegetativen Zellen auch in Gegenwart von ausreichenden anderen Stickstoffquellen in verschiedenen Zuständen existieren. Diese Heterogenitäten könnten dazu führen, dass einige Zellen für die Heterozystendifferenzierng prädeterminiert sind (Hypothese 1). Die unterschiedlichen Zellzustände könnten durch transcriptional bursts verursacht werden, die transient die hetR-Transkription aktivieren (Hypothese 2), welches wir mittels Einzelzell-RNA-Seq untersuchen. Um Differenzierungs-relevante Gene zu identifizieren, wurde in der Vergangenheit häufig auf den Verlust der N2-Fixierung selektiert. Damit konnten jedoch essentielle und redundante Gene oder Faktoren, die die Musterbildung oder das Commitment beeinflussen, nicht gefunden werden. Daher geht unsere Hypothese 3 davon aus, dass es Faktoren gibt, die bisher nicht identifiziert oder in ihrer Rolle bei der Heterozystendifferenzierung charakterisiert worden sind. Tatsächlich haben wir mehrere RNA-bindende Proteine und sRNAs identifiziert, die für die Differenzierung und Musterbildung von entscheidender Bedeutung sind. Darüber hinaus deuten unsere vorliegenden Ergebnisse auf die Rolle unterschiedlicher Ribosomentypen in diesem Prozess hin. Aufgrund des Peptidcharakters der morphogenen Signale vermuten wir außerdem, dass unbekannte niedermolekulare Faktoren existieren (Hypothese 4), nach denen wir mittels MALDI-MS suchen werden. Insgesamt legen wir den Schwerpunkt des Projekts jedoch mehr auf die Charakterisierung der neu identifizierten Faktoren. Das ist insbesondere für unsere Hypothese 5 relevant, dass es einen gut strukturierten Mechanismus gibt, der das Zelltyp-spezifische Proteom koordiniert, mit sRNAs, RNA-Chaperonen und spezialisierten Ribosomen als entscheidenden Komponenten. Unsere Ergebnisse könnten zu dem Paradigmenwechsel führen, dass die transkriptionelle Regulierung der Heterozysten-Differenzierung durch einen ebenso wichtigen posttranskriptionellen Mechanismus zur Steuerung des Proteoms ergänzt wird.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
