title: Regulation durch cyclisches-di-GMP in Myxococcus xanthus
title: Regulation by cyclic di-GMP in Myxococcus xanthus
Creators: name: Skotnicka, Dorota
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2016
Subjects: Myxococcus xanthus
Exopolysaccharide
cyclic di-GMP, Myxococcus xanthus
diguanylate cyclase, exopolysaccharide
Life sciences
Biowissenschaften, Biologie
cyclisches-di-GMP
Diguanylatzyklase

description: Der nukleotid-basierte, sekundäre
      Botenstoff bis-(3‘-5‘)-cyclic GMP (c-di-GMP) ist an einer
      Vielzahl von regulatorischen Prozessen im Zusammenhang mit
      Veränderungen des Lebenszyklusses in Bakterien beteiligt.
      Myxococcus xanthus reagiert entsprechend der
      Nährstoffverfügbarkeit in seiner Umgebung. Bei ausreichenden
      Nährstoffen bildet M. xanthus sich ausbreitende Kolonien.
      Unter nahrungslimitierenden Bedingungen hingegen werden mit
      Sporen gefüllte Fruchtkörper geformt. In dieser Arbeit wurde
      die Funktion von c-di-GMP in M. xanthus untersucht. M.
      xanthus kann c-di-GMP produzieren. Die Manipulation der
      zellulären c-di-GMP Konzentration durch Expression einer
      heterologen, aktiven Diguanylatzyklase oder Phosphodiesterase
      in lebenden Zellen führte zu einem Defekt der „type-IV-pili“
      (T4P) abhängigen Beweglichkeit. Die Gleitbewegung von M.
      xanthus hingegen blieb dadurch unberührt. Eine erhöhte
      Konzentration von c-di-GMP reduzierte die Transkription des
      pilA Genes, welches für das wichtigste Pilin des T4P codiert,
      reduzierte das Vorkommen von T4P generell und veränderte die
      Zellagglutination. Ein niedriges Niveau von c-di-GMP führte
      lediglich zu veränderter Zellagglutination. Die systematische
      Inaktivierung von 24 Genen in M. xanthus, welche für Proteine
      mit GGDEF, EAL oder HD-GYP Domänen kodieren, die im
      Zusammenhang mit der Synthetisierung, dem Abbau oder dem
      Binden von c-di-GMP stehen, identifizierte drei Gene, die
      wichtig für die T4P abhängige Bewegung sind. Die
      dazugehörigen Proteine DmxA, TmoK und SgmT enthalten alle
      eine GGDEF Domäne. DmxA besitzt Diguanylatzyklaseaktivität,
      TmoK und SgmT (beide Hybrid Histidinkinasen) zeigen keine
      Diguanylatzyklaseaktivität in vitro. Die Konzentration von
      c-di-GMP steigt während nahrungslimitierenden Bedingungen
      signifikant an. Artifiziell herbeigeführtes niedriges
      c-di-GMP Niveau beeinflusst das Entwicklungsprogramm, hohes
      jedoch nicht. Zudem konnten wir aus den 24 Genen, die für
      Proteine mit GGDEF, EAL und HD-GYP Domänen kodieren, zwei
      Gene identifizieren, welche spezifisch im
      Entwicklungsprogramm von M. xanthus involviert sind: pmxA und
      dmxB. pmxA kodiert für eine enzymatisch aktive
      Phosphodiesterase mit einer HD-GYP-Domäne. dmxB kodiert für
      eine im Entwicklungsprogramm induzierte, enzymatisch aktive
      Diguanylatzyklase. DmxB ist essentiell um ein erhöhtes
      c-di-GMP Niveau in den Zellen aufrechtzuerhalten und
      reguliert außerdem Exopolysaccharide während des
      Nährstoffmangels. Unsere Resultate zeigen, dass c-di-GMP ein
      wichtiges Signalmolekül im Entwicklungsprogramm von M.
      xanthus ist und weist auf ein Model hin, in dem ein minimaler
      Schwellenwert an c-di-GMP Konzentration erreicht sein muss,
      um ein erfolgreiches Fortschreiten des Entwicklungsprogrammes
      zu gewährleisten. Zusätzlich konnten wir c-di-GMP spezifische
      Effektormoleküle mit Hilfe von Massenspektrometrie
      identifizieren und teilweise charakterisieren. Für einige
      dieser Kandidaten konnte bestätigt werden, dass sie in vitro
      c-di-GMP binden und die Deletionsmutanten der
      korrespodierenden Gene wurden hinsichtlich ihrer Fähigkeit
      des T4P abhängigen Beweglichkeit und ihres
      Entwicklungsprogrammes charakterisiert.
description: The nucleotide-based second
      messenger bis-(3’-5’)-cyclic dimeric GMP (c-di-GMP) is
      involved in regulating a plethora of processes in bacteria
      that are typically associated with lifestyle changes.
      Myxococcus xanthus undergoes major lifestyle changes in
      response to nutrient availability with the formation of
      spreading colonies in the presence of nutrients and
      spore-filled fruiting bodies in the absence of nutrients.
      Here, we investigated the function of c-di-GMP in M. xanthus.
      We show that this bacterium synthesizes c-di-GMP.
      Manipulation of the cellular c-di-GMP level by expression of
      either an active, heterologous diguanylate cyclase or an
      active, heterologous phosphodiesterase in vegetative cells
      caused defects in type IV pili (T4P)-dependent motility
      whereas gliding motility was unaffected. An increased level
      of c-di-GMP caused reduced transcription of the pilA gene
      that encodes the major pilin of T4P, reduced assembly of T4P
      and altered cell agglutination whereas a decreased level of
      c-di-GMP caused altered cell agglutination. The systematic
      inactivation of the 24 genes in M. xanthus encoding proteins
      containing GGDEF, EAL or HD-GYP domains, which are associated
      with c-di-GMP synthesis, degradation or binding, identified
      three genes encoding proteins important for T4P-dependent
      motility. These three proteins named DmxA, TmoK and SgmT all
      contain a GGDEF domain. Purified DmxA had diguanylate cyclase
      activity whereas the TmoK and SgmT (both hybrid histidine
      protein kinases) did not have diguanylate cyclase activity.
      During starvation, the c-di-GMP level in M. xanthus increases
      significantly. Manipulation of this level revealed that a low
      c-di-GMP level negatively affects the developmental program
      while an increased level does not interfere with development.
      Moreover, among the 24 genes encoding proteins containing
      GGDEF, EAL or HD-GYP domains, we identified two which are
      specifically involved in development: pmxA and dmxB. pmxA
      codes for an enzymatically active phosphodiesterase with an
      HD-GYP domain. dmxB codes for a developmentally induced,
      enzymatically active diguanylate cyclase. DmxB is essential
      for the increased c-di-GMP level and regulates
      exopolysaccharide accumulation during starvation. Our results
      show that c-di-GMP acts as an important signaling molecule
      during M. xanthus development, and suggest a model in which a
      minimal threshold level of c-di-GMP is essential for the
      successful progression and completion of the developmental
      program. Additionally, candidates for c-di-GMP effectors in
      M. xanthus were identified using a capture compound mass
      spectrometry approach. Some of the candidates were confirmed
      to bind c-di-GMP in vitro and deletion mutants for genes
      encoding those proteins were characterized in terms of
      T4P-dependent motility and development.