title: Regulatory mechanisms of the Sin Quorum Sensing System and its impact on survival of the soil-dwelling bacterium Sinorhizobium meliloti
title: Regulationsmechanismen des Sin Quorum Sensing System und sein Einfluss auf das Überleben des Bodenbakteriums Sinorhizibium meliloti
Creators: name: Charoenpanich, Pornsri
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2015
Subjects: Transcription Regulation
Biowissenschaften, Biologie
Quorum Sensing
Transkriptionelle Regulation

description: The Sin Quorum Sensing (QS) system
      of the soil bacterium Sinorhizobium meliloti controls genes
      involved in a variety of cellular processes such as
      exopolysaccharide (EPS) production, motility, nitrogen
      fixation, and transport of metals and small molecules. The
      system consists of SinI, an N-acylhomoserine lactone (AHL)
      synthase, SinR, the LuxR-type transcriptional regulator of
      sinI, and ExpR, the LuxR-type master transcriptional
      regulator. The aims of this study are to understand the
      mechanisms and functions of the Sin QS, as well as its
      importance to survival of S. meliloti. Some of the regulatory
      target genes of the Sin QS have been previously shown to
      contain a promoter sequence that binds specifically to
      AHL-activated ExpR. In the first part of this study, the
      mechanisms of the ExpR transcriptional regulatory network
      were explored. The results confirmed 7 previously detected
      ExpR-DNA binding sites and added 26 novel sites, some of
      which regulate genes previously unknown to be members of the
      ExpR regulon. ExpR regulates the expression of the target
      genes in an AHL dependent manner. The data indicate that the
      location of the ExpR-binding site with respect to the
      relevant transcription start determines whether ExpR/AHL
      activates or represses promoter activity. Furthermore, the
      strength of the response is dependent upon the concentration
      of AHLs. This suggests a type of temporal gene expression
      program whereby the activity of each promoter is subjected to
      a specific range of AHL concentration since AHL accumulation
      and concentration varies with the age of the culture. In the
      second part of this study, the regulation of the Sin QS
      itself was further investigated. Until recently, all
      LuxR-type proteins were thought to bind to AHLs as the
      inducer. Unexpectedly, the results confirm that, in contrast
      to ExpR, the activity of SinR on sinI expression is
      independent of AHLs. The results also indicate that RNase E,
      an endoribonuclease that is essential for cell viability,
      regulates sinI expression by specifically targeting the
      5’-UTR of sinI mRNA. Overexpression of rne resulted in a
      shorter half-life of sinI mRNA and a strong reduction of AHL
      accumulation. The results suggest that RNase E-dependent
      degradation of sinI mRNA from the 5’ end is one of the steps
      mediating a high turnover of sinI mRNA, which allows the Sin
      QS system to respond rapidly to changes in transcriptional
      control of AHL production. This is the first report of a
      specific regulatory interaction between QS and an essential
      component of cell viability in S. meliloti. The last part of
      this study involves the impact of the Sin QS on fitness of S.
      meliloti. Cultivation under standard laboratory conditions
      demonstrated aggressive invasions of QS-deficient expR
      mutants in the QS-efficient wild type population. Various
      mutants were tested in a series of competition assays. The
      results suggest that ExpR has a negative effect on bacterial
      fitness under standard laboratory conditions and that this
      effect is dependent upon EPS and flagellum production.
      However, when bacteria were exposed to severe stress, i.e.
      desiccation, survival was mostly dependent upon ExpR. In
      contrast, symbiotic potential was not enhanced by ExpR.
      Altogether, the results reveal that QS can have either
      positive or negative impact on fitness, depending on the
      context. It is, on one hand, a beneficial trait that helps
      bacteria to survive from severe stress but, on the other
      hand, tends to be eliminated under low stress and nutrient
      rich conditions.
description: Das Sin Quorum Sensing (QS) System
      des Bodenbakteriums Sinorhizobium meliloti steuert eine
      Vielzahl von zellulären Prozessen, wie zum Beispiel
      Exopolysaccharid (EPS) Produktion, Motilität,
      Stickstofffixierung oder den Transport von Metallen und
      kleinen Molekülen. Das System besteht aus drei Komponenten:
      (i) SinI, eine N-Acyl-Homoserin-Lacton (AHL) Synthase; (ii)
      SinR, ein LuxRähnlicher Transkriptionsregulator von sinI; und
      (iii) ExpR, der AHL-abhängige LuxR-ähnliche
      Haupttranskriptionsregulator. Das Ziel dieser Arbeit ist die
      Mechanismen und Funktionen des Sin-QS Systems zu verstehen,
      sowie deren Bedeutung für das Überleben von S. meliloti zu
      beschreiben. Es wurde bereits gezeigt, dass durch AHL
      aktiviertes ExpR spezifische DNA-Sequenzen innerhalb des
      Promotorbereichs einiger Zielgene bindet. Der erste Teil
      dieser Arbeit befasste sich mit den regulatorischen
      Mechanismen innerhalb des ExpR-Regulons. Die Ergebnisse
      bestätigten zunächst sieben zuvor identifizierte
      ExpR-DNA-Bindestellen und fügten darüber hinaus 26 bisher
      unbekannte Bindestellen hinzu. Einige dieser Bindestellen
      befinden sich in Promotorbereichen von Genen, die daraufhin
      dem ExpR-Regulon zugeordnet werden konnten. Die Positionen
      der ExpR-Bindestellen relativ zum jeweiligen
      Transkriptionsstart bestimmen, ob ExpR/AHL die
      Promotoraktivität aktiviert oder reprimiert. Außerdem konnte
      gezeigt werden, dass die Stärke der Regulation abhängig von
      der AHL-Konzentration ist. Die Ergebnisse und die Tatsache,
      dass AHL-Akkumulation und -Konzentration innerhalb alternder
      Kulturen variieren, suggerieren ein temporäres
      Genexpressionsprogramm, in dem jeder Promotor auf eine
      bestimmte AHL-Konzentration reagiert. Im zweiten Teil der
      Arbeit wurde die Regulation des Sin QS Systems selbst
      untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass, im Gegensatz zu
      ExpR, die Aktivität von SinR auf die sinI-Expression AHL
      unabhängig ist. Neben der Autoregulation des Sin QS Systems
      konnte eine zusätzliche Regulationsebene nachgewiesen werden,
      in der RNase E, eine für das Wachstum essenzielle
      Endoribonuclease, eine Rolle spielt. RNase E ist an der
      Regulation der sinI-Expression beteiligt und zielt spezifisch
      auf die 5’-UTR der sinI-mRNA. Überexpression von rne führte
      zu einer kürzeren Halbwertszeit der sinI-mRNA und einer
      starken Reduktion der AHL-Akkumulation. Durch diese
      post-transkriptionelle Kontrolle der sinI-mRNA ist eine
      schnelle Antwort des Sin QS Systems auf Änderungen in der
      Transkriptionskontrolle der AHL-Produktion möglich. Im
      letzten Teil dieser Arbeit wurde untersucht, wie das Sin-QS
      System die generelle Fitness von S. meliloti beeinflusst.
      Kultivierungsexperimente unter Standardlaborbedingungen und
      Kompetitivitätsanalysen verschiedener Mutantenlinien zeigten,
      dass ExpR einen negativen Effekt auf die bakterielle Fitness
      unter Standardlaborbedingungen hat, und dass dieser Effekt
      abhängig von EPS-Produktion und Flagellensynthese ist. Im
      Gegensatz dazu erhöht die Anwesenheit von ExpR unter
      Stressbedingungen (Austrocknung) die Überlebensrate der
      Zellen. Die symbiotische Fitness wurde hingegen nicht durch
      ExpR verbessert. Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass QS je
      nach Wachstumsbedingungen entweder positive oder negative
      Auswirkung auf die Fitness haben kann. Es ist einerseits eine
      vorteilhafte Eigenschaft, die das Überleben der Bakterien bei
      Stress unterstützt. Andererseits wird es tendenziell unter
      nährstoffreichen Bedingungen eliminiert.