Intramembrane Signaltransduktion und Zellhüllstress-Antwort in <i>Bacillus subtilis</i>

Die bakterielle Zellhülle verleiht dem Zellkörper Form und Stabilität, wirkt dem starken osmotischen Innendruck entgegen und stellt eine Permeabilitätsbarriere da. Sie wirkt als molekulares Sieb und bietet der Zelle als äußerste Schicht Schutz gegen schädliche Umwelteinflüsse. Außerdem ist die Zellhülle aber auch die Verbindung zwischen einem Bakterium und seiner Umwelt. Viele Antibiotika greifen die Zellhülle oder ihre Synthese an. Deshalb ist ein ständiges Überwachen der Zellhüllintegrität für ein Bakterium lebenswichtig. Die Zellhüllstress-Antwort in Bacillus subtilis wird durch sieben signaltransduzierende Systeme vermittelt, zu denen drei ECF-sigma-Faktoren und vier Zweikomponentensysteme gehören. Eines dieser Zweikomponentensysteme ist das LiaRS-System, welches auf Zellwandantibiotika, die den Lipid II-Zyklus hemmen, und auf Zerstörung der Cytoplasmamembran reagiert. Es wird von den letzten beiden Genen des liaIHGFSR Lokus kodiert. Ohne Zellhüllstress werden die letzte! n vier Gene des Operons von einem schwachen konstitutiven Promotors vor liaG exprimiert, wodurch das Vorhandensein des Zweikomponentensystems in der Zelle sichergestellt wird. Der aktivierte Response Regulator LiaR induziert die Expression des lia Operons, indem er an eine palindromische Sequenz mit einem 7-4-7 Motiv, die sich 75 bp vor dem liaI-Startkodon befindet, bindet. Zusätzlich zum liaI Promotor (PliaI) konnten die Promotoren des yhcYZ-yhdA Operon und des ydhE Gens als Zielpromotoren von LiaR in B. subtilis identifiziert werden. Eine systematische Deletionsanalyse des lia Operons zeigte, dass LiaF als negativer Regulator der LiaR-abhängigen Genexpression fungiert: eine nicht-polare Deletion von liaF führte zu konstitutiver Aktivierung aller drei charakterisierter LiaR-abhängigen Promotoren. Sowohl Sequenz als auch genomischer Kontext des liaF-Gens sind in der Gruppe der Firmicuten konserviert, wobei liaF stets stromaufwärts der liaSR-Orthologen lokalisiert ist. Daher bildet LiaF zusammen mit LiaRS ein Dreikomponenten-System. Während des Übergangs zur stationären Wachstumsphase (transition state) wird PliaI ohne exogene Stimuli induziert. Diese Induktion ist LiaR-abhängig und wird zusätzlich von den Proteinen AbrB und Spo0A reguliert. Während der logarhythmischen Wachstumsphase ist der transition state Regulator AbrB an den liaI Promotor gebunden und verhindert so die Expression des lia Operons. Spo0A reguliert die Induktion von PliaI indirekt, indem es die Expression von AbrB verhindert.The bacterial cell envelope is the first and major line of defence against threats from the environment. It is an essential and vulnerable structure that gives the cell its shape and counteracts the high internal osmotic pressure. It also provides an important sensory interface and molecular sieve, mediating both information flow and controlled transport of solutes. The cell envelope is also the target for numerous antibiotics. Therefore, the monitoring and maintaining of cell envelope integrity in the presence of envelope perturbating agents and conditions is crucial for survival. In Bacillus subtilis a complex regulatory network, consisting of 7 signal transducing systems, orchestrates the cell envelope stress response. Two forms of regulatory systems can be found: ECF-sigma factors and two component systems (TCS). One of these TCS is the LiaRS system that responds to cell wall antibiotics that interfere with the undecaprenol cycle and to perturbation of the cytoplasmic me! mbrane. It is encoded by the last two genes of the liaIHGFSR locus. Without cell envelope stress, the last 4 genes are constitutively expressed from a weak promoter upstream of liaG to ensure the presence of the two-component system in the cell. The activated response regulator LiaR induces the expression of the lia operon. LiaR binds to a palindromic sequence with a 7-4-7 inverted repeat, which is located 75 bp upstream of the liaI start codon. In addition to the liaI promoter (PliaI), the promoter of the yhcYZ-yhdA operon and of the ydhE gene could be identified as target promoters of LiaR in B. subtilis. A systematic deletion analysis of the lia operon revealed that LiaF is a negative regulator of LiaR-dependent gene expression: a non-polar liaF deletion leads to constitutive activation of all three characterized LiaR-dependent promoters. The liaF gene is conserved in both sequence and genomic context in the Firmicutes group of Gram-positive bacteria, located directly upstream of liaSR orthologs. Therefore, LiaF together with LiaRS forms a three-component system. In the transition to stationary phase, PliaI is induced without exogenous stimuli. This induction is LiaR-dependent and additionally regulated by AbrB and Spo0A. During logarithmic growth the transition state regulator AbrB binds to the liaI promoter and prevents expression of the lia operon. Spo0A regulates PliaI induction in transition state indirectly by repressing the expression of AbrB