German Title: Kreuzregulation zwischen Zweikomponentensystemen in Escherichia coli

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Abstract

Microorganisms are faced with a huge variety of environmental conditions. They use two-component signaling systems to sense and adjust their metabolism accordingly. Such two-component systems are highly abundant in genomes of bacteria, archaea and lower eukaryotes. They are comprised of a sensor histidine kinase and a response regulator which serves as a transcription factor regulating gene expression. Induction of two-component system signaling leads to autophosphorylation of the histidine kinase and the subsequent transfer of the phosphoryl-group to the response regulator. Both modularity and protein sequence similarities can give rise to signal integration between two-component systems at different levels of their signaling pathways. While cross-talk between non-cognate components of two-component systems has been assessed in vitro, not much is yet known about cross-talk in vivo. In this work, we identified in vivo interactions of two-component systems in the enterobacterium Escherichia coli using FRET microscopy. We have also characterized physiological relevant interactions of non-cognate components of the CusS/ CusR and YedV/ YedW two-component systems. In addition, our studies with promoter reporters and transcriptomic analysis showed two interconnection mechanisms, one between the histidine kinases and the non-cognate response regulators, the other on the level of induction of gene expression. Our data provide a detailed understanding of this cooperative regulation of target genes and cross-talk between the CusS/ CusR and YedV/ YedW two-component systems.

Translation of abstract (German)

Mikroorganismen sind einer Vielzahl von Umweltbedingungen ausgesetzt. Sie nutzen Zweikomponenten-Signalsysteme um diese zu erfassen und ihren Stoffwechsel anzupassen. Zweikomponentensysteme kommen in Genomen von Bakterien, Archaeen und niederen Eukaryoten sehr häufig vor. Sie bestehen aus einer Sensor-Histidinkinase und einem 'Response Regulator', der als Transkriptionsfaktor die Genexpression reguliert. Eine Anregung der Signalübertragung durch Zweikomponentensysteme führt zur Autophosphorylierung der Histidinkinase mit nachfolgender Phosphoryl-gruppenübertragung auf den 'Response Regulator'. Ähnlichkeiten sowohl in der Struktur als auch der Proteinsequenzen verschiedener Komponenten können eine Signalverknüpfung zwischen verschiedenen Zweikomponentensystemen in unter-schiedlichen Abschnitten des Signalübertragungswegs herbeiführen. Während dieser 'cross-talk' zwischen nicht-verwandten Komponenten der Zwei¬komponenten¬systeme in vitro untersucht wurde, ist über das in vivo Verhalten wenig bekannt. In dieser Arbeit haben wir in vivo Wechselwirkungen der Zweikomponentensysteme in dem Enterobakterium Escherichia coli mit Hilfe von FRET Mikroskopie identifiziert, und die physiologisch bedeutsamen Wechselwirkungen der nicht-verwandten Komponenten des CusS/ CusR and YedV/ YedW Zweikomponentensystems beschrieben. Unsere Studien mit 'promoter-reportern', sowie Transkriptionsanalysen haben zwei Ebenen der Signalkopplung nachgewiesen, eine zwischen den Histidinkinasen und den nicht-verwandten 'response regulatoren', eine weitere auf dem Genexpressions-induktionsniveau. Unsere Ergebnisse vermitteln somit ein genaues Verständnis der gegenseitigen Regulation der Zielgene und des 'cross-talks' zwischen den CusS/ CusR and YedV/ YedW Zweikomponentensystemen.