title: Cell differentiation specific inhibition of cell division guarantees the formation of diploid spores during development of Myxococcus xanthus
title: Zelltyp-spezifische Inhibition der Zellteilung garantiert die Bildung von diploiden Sporen während des Entwicklungsprogramms von Myxococcus xanthus
Creators: name: Huneke-Vogt, Sabrina
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2017
Subjects: Cell division, sporulation
Chromosom
Sporenbildung , Zellzyklus
chromosome
Zellteilung
Life sciences
Biowissenschaften, Biologie
Replikation
cell cycle
replication

description: In response to nutrient
      starvation, the soil bacterium Myxococcus xanthus initiates a
      complex developmental program resulting in the formation of
      fruiting bodies inside which the rod-shaped motile cells
      differentiate into environmentally resistant, spherical and
      diploid myxospores. Some cells, referred to as peripheral
      rods, remain as rod-shaped haploid cells outside of fruiting
      bodies. Replication is essential for fruiting body formation
      and sporulation. During vegetative conditions, cells grow
      asynchronously with respect to the cell cycle. The cells
      contain one to two chromosomes and initiation of replication
      proceeds immediately after cell division. Here we
      investigated the mechanism underlying the formation of
      diploid spores. We confirmed the diploid chromosome content
      of mature spores by single cell and cell population analysis.
      Our results indicated that peripheral rods are cells in
      various stages of the cell cycle that are able to replicate.
      To address regulation of cell division, we focused on the key
      cell division protein FtsZ and its regulators PomX, PomY and
      PomZ. Experiments in which future myxospores and future
      peripheral rods were separated demonstrated that the protein
      levels of these four proteins decreased during development
      specifically in cells dedicated to become spores. In line
      with this, we showed that the presence of each of these
      proteins is not essential for fruiting body formation and
      sporulation. Transcriptional analysis revealed a decrease in
      transcript numbers of ftsZ, pomX, pomY and pomZ upon
      starvation. Moreover we observed that FtsZ is constitutively
      degraded during vegetative growth as well as during
      development and has the same half-life under these two
      conditions. We conclude that FtsZ proteolysis outperforms
      FtsZ synthesis during development resulting in elimination of
      FtsZ specifically in future spores. To address whether the
      decrease in FtsZ level in future spores causes the inhibition
      of cell division in these cells, we expressed ftsZ
      constitutively in developing cells. Remarkably, many of the
      spores formed by these cells contained one chromosome. Thus,
      the elimination of FtsZ in cells destined to become spores
      inhibits cell division and guarantees the formation of
      diploid myxospores. Most likely the ATP-dependent protease
      LonD is indirectly involved in FtsZ turnover but is not
      responsible for the transcriptional downregulation upon
      starvation. Interestingly, sporulation did not depend on
      chromosome content however, chromosome content affects spore
      morphology. Cells which enter the developmental program with
      a chromosome content higher than WT cells form spores that
      are increased in average size and chromosome content.
      Although the decrease in FtsZ protein levels and ftsZ
      transcript numbers is specific to starvation, it seems to be
      independent of RelA and the stringent response. Additionally,
      regulation of FtsZ levels is independent of the global pool
      of the second messenger cyclic di-GMP which was shown to be
      an essential regulator of multicellular development in M.
      xanthus.
description: Als Antwort auf
      nahrungslimitierende Bedingungen initiiert das im Boden
      lebende Bakterium Myxococcus xanthus ein komplexes
      Entwicklungsprogramm. Dieses führt zur Bildung von
      Fruchtkörpern in denen die stäbchenförmigen Zellen zu
      kugelförmigen, diploiden Myxosporen differenzieren, welche
      extreme Umweltbedingungen überdauern können. Einige Zellen,
      die als „peripheral rods“ bezeichnet werden bleiben haploid
      außerhalb der Fruchtkörper. Replikation ist essentiell für
      die Fruchtkörperbildung und Sporulation. Unter vegetativen
      Bedingungen wachsen die Zellen asynchron hinsichtlich ihres
      Zellzyklus. Sie enthalten ein bis zwei Chromosomen und auf
      Replikation folgt Zellteilung. In dieser Arbeit wurde der
      Mechanismus der zur Bildung von diploiden Sporen führt
      untersucht. Wir bestätigten durch die Analyse einzelner
      Zellen sowie Zellpopulationen, dass Myxosporen zwei
      Chromosomen beinhalten. Unsere Ergebnisse wiesen darauf hin,
      dass sich „peripheral rods“ in verschiedenen Phasen des
      Zellzyklus befinden und in der Lage sind zu replizieren. Um
      die Regulierung der Zellteilung zu untersuchen haben wir uns
      auf das Haupt-Zellteilungsprotein FtsZ sowie dessen
      Regulatoren PomX, PomY und PomZ fokussiert. In Experimenten,
      bei denen zukünftige Sporen und „peripheral rods“ getrennt
      wurden, konnten wir zeigen, dass die Proteinlevel während des
      Entwicklungsprogramms spezifisch in künftigen Sporen
      abnehmen. Damit einhergehend war die Präsenz jedes dieser
      Proteine nicht essentiell für Fruchtkörperbildung und
      Sporulation. Transkriptionelle Analyse offenbarte eine
      Abnahme der Anzahl der Tranksripte von ftsZ, pomX, pomY und
      pomZ bei Nahrungslimitation. Zudem wird FtsZ kontinuierlich
      degradiert, sowohl während vegetativen als auch während
      nahrungslimitierenden Bedingungen. Wir folgerten, dass FtsZ
      Proteolyse die Synthese übertrifft, was zu einer Abnahme des
      Proteinlevels und der Inhibition von Zellteilung in künftigen
      Sporen führt. Konstitutive ftsZ Expression beeinflusste nicht
      den Sporulations-prozess, resultierte jedoch in die Bildung
      von Sporen die weniger als zwei Chromosomen beinhalteten.
      Folglich reicht die Eliminierung von FtsZ aus um Zellteilung
      zu inhibieren und diploide Sporen zu bilden. In diesen
      Vorgang, jedoch nicht in die transkriptionelle Regulation,
      ist wahrscheinlich die ATP-abhängige Protease LonD indirekt
      involviert. Sporulation an sich ist unabhängig vom
      Chromosomengehalt, allerdings beeinflusst die DNA Menge die
      Morphologie der Sporen. Zellen die mehr Chromosomen als WT
      Zellen beinhalten und das Entwicklungsprogramm starten,
      formen Sporen, die eine höhere Durchschnittsgröße und einen
      höheren DNA Gehalt aufweisen. Obwohl die Abnahme von FtsZ und
      ftsZ Transkripten spezifisch während nahrungslimitierenden
      Bedingungen stattfindet scheint dies unabhängig von der
      „stringent response“ und RelA zu sein. Außerdem wird FtsZ
      unabhängig vom globalen Vorkommen des sekundären Botenstoffes
      zyklisches di-GMP reguliert, welches eine essentielle Rolle
      im multizellulären Verhalten von M. xanthus spielt.