Dokument: Regulatory interactions between Corynebacterium glutamicum and its prophages

Titel:	Regulatory interactions between Corynebacterium glutamicum and its prophages
Weiterer Titel:	Regulatorische Interaktionen zwischen Corynebacterium glutamicum und seinen Prophagen
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=51687
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20191206-104932-3
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Hünnefeld, Max [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 47,55 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 04.12.2019 / geändert 04.12.2019
Beitragende:	Prof. Dr. Frunzke, Julia [Gutachter] Prof. Dr. Feldbrügge, Michael [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Viruses preying on bacteria, so‐called bacteriophages, are significantly involved in shaping the evolution of microorganisms. More than 10^31 phage virions are involved in the transduction of an estimated number of 10^25 ‐ 10^28 base pairs of DNA, already in the marine environment. Consequently, it is not surprising that viral DNA represents a major cause for strain specific differences within bacterial species. In around 46 % of genomes of all completely sequenced bacteria, at least one active prophage element could be identified, whereas the number of cryptic prophage elements is expected to be even higher. The integration of virus‐derived DNA material (e.g. in the form of prophages) into the host genome involves the risk of toxic gene products and thus requires stringent regulation. However, the presence of these prophages not only bears risks for the host cell but also may encode potential beneficial traits for the recipient cell. To gain an adaptive advantage from newly acquired DNA, successful integration into host regulatory circuits is mandatory. The actinobacterial strain C. glutamicum ATCC 13032 contains a total of four prophage elements (CGP1‐4). The inducible CGP3 prophage covers nearly 7 % (~219 kbp) of the entire C. glutamicum genome and contains the prophage element CGP4. Previous studies revealed that CGP3 is spontaneously induced in a small fraction of cells and can be triggered in an SOS‐dependent manner. Recently, we identified the Lsr2‐like protein CgpS as an essential xenogeneic silencer of the cryptic prophages in C. glutamicum. This thesis aimed at shedding light on how CgpS is governing the lysogenic state of CGP3 and studying the regulatory interaction between the host and the prophage. Chromatin affinity purification and sequencing (ChAP‐Seq) revealed a redistribution of CgpS under prophage‐inducing conditions towards different targets in the host genome coinciding with a lower coverage at the prophage region. Under prophage‐inducing conditions, CgpS binds to multiple host targets, comprising genes with important functions in DNA replication and repair mechanisms, cell envelope biosynthesis and global transcriptional regulators. While previous approaches relied on a snapshot view of XS binding, these data present the first time‐resolved analysis of XS protein binding behavior under prophage‐inducing conditions. Furthermore, the regulatory interactions between host‐encoded regulators and the CGP3 prophage were studied. DNA affinity chromatographies with different CGP3 promoters as well as global binding profile analyses of different C. glutamicum regulators revealed that several host regulators bind inside of the CGP3 region. One of these regulators, the MarR‐type regulator MalR, was a subject of further studies. Regulators of the MarR‐type family have been shown to be involved in environmental stress responses, regulation of virulence genes, and degradation of aromatic compounds. Furthermore, different studies showed that MarR‐type regulators are involved in the counter‐silencing of H‐NS silenced horizontally acquired genes in Escherichia coli and Salmonella enterica. A combination of ChAP-seq based binding profiling and transcriptome analysis using DNA microarrays revealed the function of MalR as a regulator involved in the stress‐responsive remodeling of the cell envelope of C. glutamicum with several binding sites inside of CGP3. A malR deletion strain showed higher sensitivity towards different beta‐lactam antibiotics, and overexpression of malR led to a significantly altered cell envelope. Increased levels of MalR impaired inducibility of the CGP3 prophage, indicating a link between the regulation of cell envelope composition and prophage induction. Overall, this thesis provides valuable insights into the dynamic binding behavior of the XS protein CgpS under prophage‐inducing conditions and reveals a high degree of regulatory interaction between host regulators and the CGP3 prophage in C. glutamicum. Viren, die Bakterien infizieren, sogenannte Bakteriophagen, nehmen maßgeblich Einfluss auf die Evolution von Mikroorganismen. Alleine in marinen Umgebungen sind mehr als 10^31 Phagenvirionen an der Transduktion von ungefähr 10^25 - 10^28 Basenpaaren DNA beteiligt. Angesichts dessen erscheint es nicht verwunderlich, dass virale DNA eine der Hauptursachen stammspezifischer Unterschiede innerhalb von Bakterienarten darstellt. Obwohl die Integration von viralem DNA-Material in das Wirtsgenom (beispielweise in Form von Prophagen) ein hohes Risiko in sich birgt, enthalten rund 46 % aller vollständig sequenzierten bakteriellen Genome mindestens ein aktives Prophagenelement. Hierbei nicht beachtet ist die Zahl von kryptischen Prophagen, welche weitaus höher geschätzt wird. Interessanterweise stellen integrierte Prophagen nicht nur ein hohes Risiko für die Bakterienzellen dar, da sie toxische Genprodukte kodieren oder eine Wirtszelllyse auslösen könnten, sondern können der Wirtszelle auch einige vorteilhafte Eigenschaften gewähren. Um einen Nutzen aus diesen vorteilhaften Eigenschaften zu ziehen und einen evolutiven Vorteil zu gewinnen, müssen die neuerworbenen Gene in die regulatorischen Kreisläufe der Wirtszelle integriert werden. Das Actinobakterium Corynebacterium glutamicum ATCC 13032 enthält insgesamt vier integrierte Prophagenelemente (CGP1-4), wobei der induzierbare CGP3 Prophage mit circa 219 kb fast 7 % des gesamten Genoms ausmacht und zusätzlich den Prophagen CGP4 enthält. Frühere Untersuchungen konnten zeigen, dass CGP3, welcher über eine bakterielle SOS-Antwort induziert werden kann, in einem kleinen Teil der Zellen spontan induziert. Weiterhin konnte kürzlich das Lsr2-artige Protein CgpS als ein essentieller xenogener silencer (XS) des kryptischen Prophagen CGP3 identifiziert werden. Die vorliegende Dissertation zielte darauf ab, aufzuklären, wie CgpS den lysogenen Zustand von CGP3 steuert, und regulatorische Interaktionen zwischen dem Wirt und dem Prophagen zu untersuchen. Eine Chromatin-Affinitätsreinigung und Sequenzierung (ChAP-Seq) zeigte eine Umverteilung von CgpS unter Prophagen-induzierenden Bedingungen vom CGP3 Prophagen hin zu verschiedenen Zielen im Wirtsgenom, was eine geringere Abdeckung der Prophagenregion zur Folge hatte. Die durch die Umverteilung gebundenen Wirtsgene codieren unter anderem Transkriptionsregulatoren und Proteine mit wichtigen Funktionen in DNA-Replikations- und Reparaturmechanismen und in der Zellhüllenbiosynthese. Während frühere Experimente lediglich eine Momentaufnahme der XS-Bindung darstellten, präsentiert diese Arbeit Daten einer ersten zeitaufgelösten Analyse des Bindungsverhaltens von XS-Proteinen unter Prophagen-induzierenden Bedingungen. Zusätzlich wurden im Zuge dieser Arbeit die regulatorischen Interaktionen zwischen Wirtsregulatoren und dem CGP3 Prophagen untersucht. DNA-Affinitätschromatographien mit unterschiedlichen CGP3-Promotoren und globale Bindeprofilanalysen zeigten, dass mehrere Wirtsregulatoren Bindestellen innerhalb der CGP3-Region aufwiesen. Einer dieser Regulatoren war der MarR-artige Transkriptionsregulator MalR, welcher anschließend weiter untersucht wurde. Regulatoren aus der MarR-Familie sind nachweislich an Umweltstressreaktionen, der Regulation von Virulenzgenen und dem Abbau von Aromaten beteiligt. Zusätzlich zeigten verschiedene Studien, dass Regulatoren aus der MarR-Familie in Escherichia coli und Salmonella enterica an einem counter-silencing von H-NS-reprimierten horizontal-erworbenen Genen beteiligt sind. Im Zuge dieser Arbeit konnte mit Hilfe von Bindeprofilanalysen und Transkriptionsanalysen gezeigt werden, dass es sich bei MalR um einen Regulator handelt, der an einer Stress-bedingten Änderung der Zellhülle von C. glutamicum beteiligt ist und darüber hinaus einige Bindestellen im Prophagen CGP3 aufweist. Ein malR-Deletionsstamm zeigte eine erhöhte Empfindlichkeit gegenüber verschiedenen Beta-Lactam-Antibiotika, während die Überexpression von malR zu einer signifikant veränderten Zellhülle und einer Beeinträchtigung der CGP3-Induktion führte. Insgesamt deutet dies auf einen Zusammenhang zwischen der Stress-abhängigen Zellwandänderung und der Prophagen-Induktion hin. Diese Arbeit liefert wertvolle Erkenntnisse über das dynamische Bindungsverhalten des XS-Proteins CgpS unter Prophagen-induzierenden Bedingungen und zeigt ein hohes Maß an regulatorischer Interaktion zwischen Wirtsregulatoren und dem CGP3-Prophagen in C. glutamicum.
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Fachbereich / Einrichtung:	Sonstige Einrichtungen/Externe » Institute in Zusammenarbeit mit der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf » Institut für Biotechnologie, Forschungszentrum Jülich GmbH
Dokument erstellt am:	06.12.2019
Dateien geändert am:	06.12.2019
Promotionsantrag am:	09.09.2019
Datum der Promotion:	02.10.2019