German Title: Rauschen der Genexpression und Robustheit im Escherichia coli Chemotaxis Signalweg

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Abstract

Genetically identical cells and organisms exhibit remarkable diversity even when they have identical histories of environmental exposure. We have observed a great cell-to-cell variation in levels of proteins in an isogenic population of E. coli cells. Such gene expression noise arises from stochasticity of transcription and translation and from unequal partitioning of proteins by cell division. Variations in protein levels may lead to errors in a signal transduction system that can have a detrimental effect on the output of the system. Therefore it is important to study the characteristics and the effects of gene expression noise. The chemotaxis signal transduction pathway is well suited for noise studies due to its low complexity and the fact that it is well characterized. One objective of this work was to identify the origin and time scale of gene expression noise in the chemotaxis pathway. To do so, we quantified native single cell expression levels of genes in all three classes in the hierarchy of flagella and chemotaxis genes. We observed strong correlation in expression levels of flagella and chemotaxis proteins, which suggests that gene expression noise is dominated by factors common to all chemotaxis genes. Interestingly, correlation between independent genes was also observed, revealing that global factors make the largest contribution to the observed fluctuations. It takes approximately one generation until the correlation in protein levels between mother and daughter cells is lost. Although, total protein levels vary greatly throughout the cell cycle, protein concentrations remain more stable. Thus, noise persists on a generation time scale and consequently the pathway is expected to exhibit robustness mechanisms compensating for such fluctuations. Indeed, the signalling network, although sensitive to individual protein levels, was observed to be robust against co-variation of chemotaxis proteins while apparently minimizing network complexity and cost of protein expression. Surprisingly, we observed that robustness of the pathway against the uncorrelated variations in protein levels can be enhanced by a selective pairwise coupling of individual chemotaxis genes on one mRNA, with the order of genes in E. coli, which is subject to evolutionary selection, ranking among the best in terms of noise compensation. Finally, additional topological features contributing to pathway robustness were discovered. Our experiments suggest that the activation of CheB by phosphorylation and competition between CheY and CheB for the CheA P2 binding domain, which are not essential for chemotaxis itself, have evolved primarily for compensation of non-genetic individuality.

Translation of abstract (German)

Genetisch identische Zellen und Organismen zeigen eine große Vielfältigkeit, obwohl sie der selben Umwelt ausgesetzt worden sind. In Populationen genetisch identischer Zellen konnten große interzelluläre Variationen in der Konzentration von Proteinen festgestellt werden. Dieses so genannte Rauschen der Genexpression lässt sich auf stochastische Effekte bei der Transkription und Translation, sowie der ungleichen Verteilung von Proteinen während der Zellteilung, zurückführen. Insbesondere bei Proteinen, die an Signalsystemen beteiligt sind, können derartige Fluktuationen im Expressionsniveau zu Fehlern in der Signalprozessierung führen, was dramatische Auswirkungen auf die Zelle haben kann. Ziel dieser Arbeit war es, Eigenschaften und Auswirkungen des Rauschens der Genexpression besser zu verstehen. Beispielhaft wurde dafür das Chemotaxis- System von E. coli untersucht, das sich aufgrund seiner einfachen Topologie und guten Charakterisierung ideal als Modellsystem eignet. Um den Ursprung von Fluktuationen in der Genexpression zu identifizieren, erfolgte eine Quantifizierung des nativen Expressionsniveaus der jeweiligen Gene in den drei bekannten Hierarchieklassen der Flagellen- und Chemotaxisgene in einzelnen Zellen. Dabei konnte eine starke Korrelation der Expression der Flagellen- sowie Chemotaxisproteinen beobachtet werden, was darauf schliessen lässt, dass das Rauschen der Genexpression durch gemeinsame Faktoren aller Chemotaxisgene dominiert wird. Interessanterweise wurde eine Korrelation zwischen voneinander unabhängigen Genen beobachtet, wodurch globalen Faktoren der größte Anteil an den Fluktuationen zugeschrieben werden konnte. Verfolgt man eine Zelllinie über mehrere Generationen, so bleibt eine Korrelation der Proteinniveaus zwischen Mutter- und Tochterzelle für etwa eine Generation bestehen. Obwohl die absolute Proteinzahl wärend des Zellzyklus großen Schwankungen unterliegt, stellen sich die jeweiligen Konzentrationen in Abhängigkeit vom relativen Zellvolumen als stabiler dar. Da das Rauschen der Genexpression eine Generation überdauert, wird erwartet, dass das Chemotaxissystem Mechanismen für die Robustheit des Signalwegs bereit hält, die die auftretenden Fluktuationen kompensieren können. In der Tat ist das Signalnetzwerk, trotz seiner Sensitivität gegenüber einzelner Proteinniveaus, sehr robust gegenüber Co-Variationen aller Chemotaxisproteine, während augenscheinlich die Komplexizität des Netzwerks und der Aufwand für die Proteinexpression minimiert werden. Erstaunlicherweise konnte gezeigt werden, dass die Robustheit des Signalwegs gegenüber unkorrelierten Variationen in den Proteinniveaus durch eine selektive paarweise Kopplung von individuellen Chemotaxis Genen erhöht werden kann. Ausserdem sind die Reihenfolge und Organisation dieser Gene im Chromosom, welche unter evolutiver Selektion stehen, eine der Besten, um das Rauschen auszugleichen. Schlussendlich konnten zusätzliche Mechanismen, die zur Robustheit des Signalwegs beitragen, beschrieben werden. Die hier durchgeführten Experimente deuten darauf hin, dass die Aktivierung von CheB durch Phosphorylierung und die Konkurrenz zwischen CheY und CheB um die CheA P2 Bindedomäne, welche selbst nicht essentiell sind für die Chemotaxis, sich primär zur Kompensation der nicht-genetischen Individualität entwickelt haben.