Dokument: Regulatory and metabolic aspects of the phosphate starvation response of Corynebacterium glutamicum
| Titel: | Regulatory and metabolic aspects of the phosphate starvation response of Corynebacterium glutamicum | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=15882 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20100825-090114-5 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Englisch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Woo, Han Min [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Prof. Dr. Bott, Michael [Gutachter] PD Dr. Pohl, Martina [Gutachter] | |||||||
| Stichwörter: | Phosphatmangel, Zweikomponentensystem, RegX3, SenX3, PhoSphosphate starvation, Corynebacterium glutamicum, two-component system, metabolomics, glycogen, genome-scale flux balance analysis, GC-TOF-MS | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie 500 Naturwissenschaften und Mathematik | |||||||
| Beschreibungen: | Phosphorus is an essential element for all living organisms, as it is a prerequisite for cellular metabolism. Corynebacterium glutamicum, an industrial amino acid producer, is a Gram-positive soil bacterium that has developed regulatory mechanisms to overcome phosphate (Pi) limitation for growth in its habitats. When Pi is limited, C. glutamicum induces Pi-starvation-inducible (psi) genes. The encoded proteins allow the utilization of residual Pi and of alternative phosphorus sources. Induction of these psi genes is partially dependent on a two-component signal transduction system composed of the sensor kinase PhoS and the response regulator PhoR.
In this work, evidence was obtained that besides PhoSR a second two-component system consisting of the sensor kinase SenX3 and the response regulator RegX3 is involved in the Pi starvation response. Deletion of the chromosomal regX3 gene was only possible in the presence of a plasmid-borne copy, indicating that RegX3 is essential in C. glutamicum. Global gene expression studies with a strain allowing conditional repression of regX3 in concert with DNA-binding studies indicated that phosphorylated RegX3 activates several genes of the Pi starvation stimulon, i.e. pstSCAB (ABC transporter for Pi), ugpAEBC (ABC transporter for glycerol 3-phosphate), phoC (putative secreted phosphoesterase) and ushA (5'-nucleotidase), but also a cluster of four genes two of which are involved in NAD+ biosynthesis (ndnR-nadA-nadC-nadS). Furthermore, whole-cell alkaline phosphatase activity was found to be controlled by RegX3. In the second part of this thesis, the influence of Pi limitation on the metabolism of C. glutamicum analyzed. Metabolite analysis by GC-TOF mass spectrometry of cells cultivated in glucose minimal medium revealed a strongly increased maltose level under Pi limitation. As maltose formation could be linked to glycogen metabolism, the cellular glycogen content was determined. In contrast to cells grown under Pi excess, the glycogen level of Pi-limited cells remained high in the stationary phase. Surprisingly, even acetate-grown cells, which do not form glycogen under Pi excess, do so under Pi limitation and retain it also in stationary phase. Expression of pgm and glgC, encoding the first two enzymes of glycogen synthesis, phosphoglucomutase and ADP-glucose pyrophosphorylase, was found to be increased 6- and 3-fold under Pi limitation, respectively. Increased glycogen synthesis together with a decreased glycogen degradation might be responsible for the altered glycogen metabolism. Independent from these experimental results, flux balance analysis suggested that an increased carbon flux to glycogen is a solution for C. glutamicum to adapt carbon metabolism to limited Pi concentrations. In summary, this work led to the identification of an additional regulatory system involved in the Pi starvation response and of a link between Pi limitation and glycogen metabolism in C. glutamicum.Phosphor ist ein essentieller Nährstoff für alle lebenden Zellen, da er eine Voraussetzung für den zellulären Stoffwechsel darstellt. Das Gram-positive Bodenbakterium Corynebacterium glutamicum, das zur industriellen Aminosäure-Produktion eingesetzt wird, hat regulatorische Mechanismen zur Anpassung an Phosphat-Mangel entwickelt. Unter Phosphat-limitierenden Bedingungen wird ein Satz von sogenannten psi-Genen (phosphate starvation-inducible) induziert, die für Proteine kodieren, welche eine effiziente Nutzung von verbleibendem Phosphat sowie von alternativen Phosphor-Quellen erlauben. Für die Induktion dieser psi-Gene ist zum Teil ein Zweikomponentensystem verantwortlich, das aus der Sensorkinase PhoS und dem Antwortregulator PhoR besteht. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass neben PhoSR auch das Zweikomponentensystem SenX3/RegX3 eine Rolle bei der Phosphat-Mangelantwort spielt. Eine Deletion des chromosomalen regX3-Gens war nur in Gegenwart einer plasmid-gebundenen regX3-Kopie möglich. Dies deutet darauf hin, dass RegX3 in C. glutamicum essentiell ist. Globale Genexpressionsanalysen mit einem Stamm, der eine konditionale Repression von regX3 erlaubte, und anschließende DNA-Bindungsstudien deuten darauf hin, dass der phosphorylierte Antwortregulator RegX3 eine Reihe von Genen des Phosphat-Mangelstimulons aktiviert: pstSCAB (ABC-Transporter für Phosphat), ugpAEBC (ABC-Transporter für Glycerin-3-Phosphat), phoC (putative sekretierte Phosphoesterase) und ushA (5’-Nukleotidase). Darüber hinaus gehört das Gencluster ndnR-nadA-nadC-nadS zum RegX3-Regulon. Die von nadA und nadB kodierten Proteine sind an der NAD+-Biosynthese beteiligt. Enzymassays zeigten außerdem, dass die alkalische Phosphatase-Aktivität intakter Zellen von C. glutamicum durch RegX3 reguliert wird. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde der Einfluss von Phosphat-Mangel auf den Stoffwechsel von C. glutamicum untersucht. Eine Metaboliten-Analyse mittels GC-TOF-Massenspektrometrie zeigte einen erhöhten Maltose-Gehalt in Zellen, die auf Glucose-Minimalmedium unter Phosphat-limitierenden Bedingungen kultiviert wurden. Da die Maltose-Bildung im Zusammenhang mit dem Glykogen-Stoffwechsel stehen könnte, wurde der zelluläre Glykogen-Gehalt bestimmt. Im Gegensatz zu Zellen, die unter Phosphat-Überschuss kultiviert worden waren, zeigten Phosphat-limitierte Zellen auch in der stationären Phase einen hohen Glykogen-Gehalt. Überraschenderweise wurde sogar bei Wachstum mit Acetat als Kohlenstoffquelle unter Phosphat-Mangel Glykogen gebildet, nicht aber bei Kultivierung unter Phosphat-Überschuss. Die ersten beiden Gene der Glykogensynthese (pgm, Phosphoglucomutase; glgC, ADP-Glucosepyrophosphorylase) zeigten einen 6- bzw. 3-fach erhöhten mRNA-Spiegel unter Phosphat-limitierten Bedingungen. Eine erhöhte Glykogensynthese zusammen mit einem verringerten Glykogenabbau ist möglicherweise für den veränderten Glykogen-Stoffwechsel verantwortlich. Unabhängig von diesen Experimenten ergaben Analysen mit einem genom-weiten stöchiometrischen Stoffwechsel-Modell von C. glutamicum, dass ein erhöhter Kohlenstoff-Fluss zu Glykogen eine Lösung zur Anpassung des Kohlenstoff-Stoffwechsels an Phosphat-Limitierung darstellt. | |||||||
| Lizenz: |  Urheberrechtsschutz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie | |||||||
| Dokument erstellt am: | 25.08.2010 | |||||||
| Dateien geändert am: | 23.08.2010 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 15.06.2010 | |||||||
| Datum der Promotion: | 12.07.2010 |
