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The role of promoter architecture in transduction, integration and multiplexing of environmental signals in bacteria

Kaspar, Sarah

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Abstract

For the processing of environmental signals, bacteria often use two-component systems (TCSs), in which a transcription factor (TF) is activated upon phosphorylation. There is a high diversity both in the way in which phosphorylation activates the TF (phospho-mode) and in the archi- tecture of the TCS-driven promoters. In this work, I model gene expression in TCSs in order to study the interplay of promoter architecture and phospho-mode with respect to the distinct processing tasks of signal transduction, integration and multiplexing. First a comprehensive study implements biologically relevant phospho-modes and investigates their influence on the promoter architectures required for effective signal transduction. This study is also the modeling basis for the whole thesis. I find that effective signal transduction is accomplished by different promoter architectures, depending on the mode of phosphoryla- tion. Further, the phospho-mode also determines to which extent the response shape is tunable through modulations in the promoter architecture. In the quorum sensing (QS) signaling pathway in Bacillus subtilis, the integration of two signals on the gene expression level is investigated. When only the pathway architecture is considered, both signals seem to converge, since they activate the same TF. However, my model identifies promoter architectural features which allow to control the weighting of the two signals. The meaning of these results is discussed with respect to the evolution of QS-dependent promoters. Finally, based on model-derived promoter design criteria, I suggest a synthetic multiplexing system for experimental use. The purpose of this system is to allow decoding of the two QS signals on the expression level and thus inference on their natural distribution. The results of this thesis can support the interpretation of promoter sequence data and inform design questions in synthetic biology.

Translation of abstract (German)

Um Signale aus ihrer Umgebung zu verarbeiten, nutzen Bakterien häufig Zweikomponentensys- teme (two-component systems, TCSs), bei denen ein Transkriptionsfaktor (TF) durch Phospho- rylierung aktiviert wird. Dabei weisen sowohl die Art der Aktivierung durch Phosphorylierung (Phosphomodus) als auch die Architekturen der angesteuerten Promotoren eine hohe Diver- sität auf. In dieser Arbeit wird mit Hilfe von Modellierung der Genexpression in TCSs das Zusammenspiel von Promoterarchitektur und Phosphomodus im Hinblick auf die verschiede- nen "Signalverarbeitungsaufgaben" der Signaltransduktion, Integration und des Multiplexings untersucht. Eine umfassende Studie beleuchtet zunächst biologisch relevante Phosphomodi und deren Ein- fluss auf die für die Effektivität von Signaltransduktion erforderliche Promoterarchitektur. Sie legt außerdem die Modellierungsgrundlage für die gesamte Arbeit. Es zeigt sich, dass möglichst effektive Signaltransduktion je nach Phosphomodus durch unterschiedliche Promoterarchitek- turen erreicht wird. Ebenso hat der Phosphomodus Einfluss darauf, wie gut sich die Form des Input-Output-Verhältnisses durch Verändern der Promoterarchitektur einstellen lässt. Des Weiteren wird am Beispiel des Quorum Sensing (QS) Signalpfads in Bacillus subtilis die Verarbeitung von zwei Signalen auf Genexpressionsebene untersucht. Betrachtet man nur die Architektur des Signalpfads, so konvergieren beide Signale, da sie den gleichen TF aktivieren. Mein Modell identifiziert jedoch Charakteristiken der Promoterarchitektur, die es erlauben, die Gewichtung der Signale zu steuern. Darauf aufbauend, wird die Bedeutung dieser Erkenntnis im Hinblick auf die Evolution der Promotoren wird diskutiert. Schließlich schlage ich auf Ba- sis meiner Modellierungsergebnisse ein synthetisches "Multiplexing-System" zur Anwendung in der Experimentalbiologie vor, das mittels gezieltem Promoterdesign die Dekodierung der beiden QS-Signale erlauben und so Aufschluss auf deren natürliches Vorkommen geben soll. Die Ergebnisse dieser Arbeit können die Interpretation von Sequenzdaten sowie Designfragen in der synthetischen Biologie unterstützen.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Kummer, Prof. Dr. Ursula
Date of thesis defense: 21 May 2019
Date Deposited: 13 Aug 2019 08:23
Date: 2019
Faculties / Institutes: The Faculty of Bio Sciences > Dean's Office of the Faculty of Bio Sciences
Service facilities > Bioquant
Subjects: 570 Life sciences
Controlled Keywords: Mathematische Modellierung, Mikrobiologie, Quorum sensing, Genregulation
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