title: Regulation of development by c-di-GMP in Myxococcus xanthus
Creators: name: Kuzmich, Sofya
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2019
Subjects: subject: c-di-GMP
subject: Transcription
subject: Myxococcus
subject: Transkription
subject: Life sciences
subject: Biowissenschaften, Biologie
subject: Microbiology
subject: FOS: Biological sciences
subject: Development
subject: Mikrobiologie

description: Myxococcus xanthus is a model organism for studying social behaviors and cell differentiation in bacteria. Upon nutrient depletion, M. xanthus cells initiate a developmental program that culminates in formation of spore-filled fruiting bodies and peripheral rods outside of fruiting bodies. Completion of this developmental program depends on an increased level of c-di-GMP. c-di-GMP is a ubiquitous signaling molecule that regulates diverse processes in bacteria including biofilm formation, synthesis of exopolysaccharides and adhesins, motility, cell cycle progression and development. DmxB is a diguanylate cyclase (DGC) that is essential for development and is responsible for the increase in c-di-GMP accumulation during development. PmxA is an active phosphodiesterase (PDE) of the HD-GYP domain type and is also important for fruiting body formation and sporulation. Here, we show that the developmental defects in a ∆pmxA mutant are restored by complementation with wild-type (WT) PmxA but not by an enzymatically inactive PmxA variant. Lack of PmxA did not measurably alter the global cellular pool of c-di-GMP and c-di-GMP accumulated at similar levels in aggregating cells and peripheral rods of both WT and ∆pmxA strains suggesting that PmxA may contribute to a local, intracellular pool of c-di-GMP. PmxA was neither important for exopolysaccharide accumulation nor for type IV pili formation in developing cells, two processes known to be regulated by c-di-GMP in M. xanthus during growth. ∆pmxA mutant cells showed hyper-agglutination and hyper-adhesion. Global transcriptomic analysis of developing WT and ∆pmxA cells revealed that 189 genes were differentially expressed in the ∆pmxA mutant and with 69 and 120 expressed at lower or higher levels, respectively in the mutant. Interestingly, among 69 genes expressed at a reduced level, nine encode Ser/Thr protein kinases suggesting a link between c-di-GMP regulation and signaling by such kinases during development. To understand regulation by c-di-GMP during development, we analyzed the expression of genes encoding proteins likely involved in c-di-GMP metabolism and regulation. Global transcriptomic analysis demonstrated that nine out of 66 such genes were highly induced during development. Using published ChIP-Seq data, we found that 18 genes (including dmxB and pmxA) were candidates for being regulated directly by the CRP-like transcriptional factor MrpC, which is a master regulator of development. We demonstrate that MrpC directly binds to the pmxA and dmxB promoters and regulates their activity positively and negatively, respectively. To further our understanding of how effects of changing levels of c-di-GMP are implemented in M. xanthus, we systematically generated in-frame deletion mutations in all genes encoding PilZ domain proteins and analyzed their role in motility and development. We identified two PilZ-domain proteins (MXAN_1087 and MXAN_2604) that regulate the reversal frequency in T4P-dependent and gliding motility.
description: Bei Myxococcus xanthus handelt es sich um ein Modellorganismus zur Untersuchung des soziale Verhaltens und der Zelldifferenzierung von Bakterien. Induziert durch Nährstoffmangel, starten die M.xanthus Zellen ein Entwicklungsprogramm, welches zur Bildung von Sporen gefüllten Fruchtkörpern und peripheren stäbchenförmigen Zellen außerhalb dieser Fruchtkörper führt. Der Abschluss dieses Entwicklungsprogramms hängt von der Regulierung der Motilität und der inter- und intrazellulären Signalübertragung durch nukleotid basierte Second Messenger wie (p) ppGpp und c-di-GMP ab. c-di-GMP ist ein allgegenwärtiges Signalmolekül, das verschiedene Prozesse in Bakterien reguliert. Zu diesen gehören Biofilmbildung, Synthese von Exopolysacchariden (EPS), Adhäsinen sowie Regulation der Beweglichkeit, das Fortschreiten des Zellzyklus und der Entwicklung.Für den abschluss des Entwicklungsprogramms von M. Xanthus ist eine Erhöhung und Anreicherung von c-di-GMP während des Prozesses nötig. Verantwortlich für diese Anreicherung von c-di-GMP und essentiell für die Entwicklung ist die Diguanylatcyclase (DGC), DmxB. PmxA hingegen ist eine aktive Phosphodiesterase (PDE) vom Typ der HD-GYP-Domäne. Eine ∆pmxA-Mutante weist einen Defekt in der Fruchtkörperbildung und eine verringerte Sporulation auf. In dieser Arbeit zeigen wir, dass dieser Defekte durch eine Komplementierung mit dem Wildtyp PmxA Protein wiederhergestellt werden kann. Dies ist mit einer enzymatisch inaktive PmxA-Variante des Proteins ist jedoch nicht möglich. PmxA keinen Einfluss auf den globalen zelluläre c-di-GMP Pool. Es reicherte sich in ähnlichen Mengen in aggregierenden Zellen und peripheren Stäben in dem WT und dem ∆pmxA Stamm an. Allerdings suggerieren die gewonnen Daten, dass PmxA zu einem lokalen intrazellulären Pool von c-di-GMP beitragen kann. PmxA war weder für die EPS-Akkumulation noch für die Typ-IV-Pili-Bildung in sich entwickelnden Zellen von Bedeutung. Für diese beiden Prozesse konnte bereits zuvor in M. xanthus gezeigt werden, dass sie während der Entwicklung durch c-di-GMP reguliert werden. ∆pmxA Mutantenzellen zeigen Hyperagglutination und Hyperadhäsion aufgrund einer beeinträchtigten extrazellulären Matrixverarbeitung. Globale Transkriptomanalysen der sich entwickelnden Wildtyp und ΔpmxA Zellen ergabte, dass 189 Gene unterschiedlich exprimiert werden. 120 und 69 waren damit höre oder niedriger in der ΔpmxA-Mutante exprimiert als im Wildtype. Interessanterweise, kodieren neun der 69 Genen, die im reduziertem Ausmaß exprimiert werden, für Serin-Protein-Kinasen, was auf einen Zusammenhang zwischen der c-di-GMP-Regulation und der Signalübertragung durch solche Kinasen während der Entwicklung hindeutet. Zusätzlich untersuchten wir die Expression von Genen, die Proteine codieren, die möglicherweise am Metabolismus und der Bindung von c-di-GMP beteiligt sind. Globale Transkriptomanalysen zeigten, dass neun von 66 Genen während der Entwicklung stark hoch reguliert werden. Unter Verwendung veröffentlichter ChIP-Seq-Daten stellten wir fest, dass 18 Gene (einschließlich dmxB und pmxA) Kandidaten für eine direkte Regulation durch den CRP-ähnlichen Transkriptionsfaktor MrpC sind. Dieser stellt ein Hauptregulator der Entwicklung da. Weiter zeigen wir, dass MrpC direkt an die pmxA- und dmxB-Promotoren binden kann und deren Aktivität positiv bzw. negativ reguliert. Um weiter zu verstehen welche Auswirkungen der schwankenden c-di-GMP-Spiegels auf M. xanthus hat, haben wir systematisch In-Frame-Deletionsmutationen in allen Genen generiert, die für PilZ-Domänenproteine kodieren, und ihre Rolle bei der Motilität und Entwicklung analysiert. Dadurch identifizierten wir zwei PilZ-Domänen-Proteine (MXAN_1087 und MXAN_2604), die die Umkehrfrequenz in T4P-abhängigen und gleitenden Bewegungen regulieren.