Quorum sensing in Dinoroseobacter shibae DFL-12T and its possible role in algae symbiosis

Buchholz, Ina

Quorum sensing (QS), density dependent regulation of gene expression, enables bacteria to establish in a niche, switch between different modes of life (planktonic or associated in symbiosis) and synchronize gene expression of the whole population. QS is mediated by signal molecules which are called autoinducers. In Roseobacter, most known autoinducers belong to the group of acylated homoserine lactones (AHLs) and regulated traits are not known so far. It was the aim of this work to unravel the quorum sensing system of the Roseobacter model organism Dinoroseobacter shibae DFL-12 and its regulatory role in algae symbiosis. The first part of the work concentrated on the investigation of the functionality of the three LuxI autoinducer synthases, present in D. shibae. By use of heterologous expression in E. coli and overexpression in the natural host, different long-chain molecules (OHC14-AHL, C16-en/dien-AHL and C18-en/dien-AHL) were identified. The gene luxI1 was separately knocked-out by a gene replacement vector and phenotypes of the mutant were characterized. D. shibae ∆luxI1 showed the loss of AHL production, a homogeneous cell morphology and increased growth-and division rates, all of which could be successfully complemented by introduction of a plasmid-born copy of luxI1. QS regulated traits were identified by transcriptome profiling using a whole-genome microarray. The two-component system CckA/CtrA was downregulated in the mutant and could be controlling cellular processes like cell cycle progression and differentiation. Furthermore, affected traits like flagellar assembly and type IV secretion system genes were downregulated. The second part elucidated the regulatory role of QS during cocultivation with the bacteria free (axenic) dinoflagellate P. minimum and the haptophyt I. galbana, respectively. For detection of AHL synthesis in vivo (during cocultivation), a GFP-based reporter construct was introduced into D. shibae DFL-12.

Quorum sensing (QS), die zelldichteabhängige Regulation der Genexpression, ermöglicht es Bakterien, ökologische Nischen zu besiedeln, zwischen Lebensweisen zu wechseln (planktonisch oder symbiontisch) und die Genexpression der gesamten Population zu synchronisieren. QS wird über Signalmoleküle, sogenannte Autoinducer, vermittelt. Die bekanntesten Autoinducer der Roseobacter Bakterien sind acylierte Homoserinlaktone (AHLs). QS regulierte Prozesse sind bisher nicht bekannt. Ziel der Arbeit war die Analyse des QS Regulons des Roseobacter Modellorganismus Dinoroseobacter shibae DFL-12 und dessen regulatorische Rolle in der Symbiose mit Algen. Der erste Teil der Arbeit befasste sich mit der Untersuchung der Funktionalität der drei LuxI Autoinducer Synthasen von D. shibae. Durch die heterologe Expression in E. coli und die Überexpression im Wildtypstamm konnten verschiedene AHLs (OHC14-, C16-en/dien-, C18-en/dien-AHL) identifiziert werden. Mittels Doppelt-Homologer-Rekombination wurde eine LuxI1 Mutante erzeugt und deren Phänotpyen charakterisiert. D. shibae ?luxI1 wies den Verlust der AHL Produktion, eine homogene Zellmorphologie und erhöhte Wachstums-und Teilungsraten auf. Alle Phänotypen konnten erfolgreich genetisch komplementiert werden. Die Identifizierung QS regulierter Prozesse erfolgte durch Transkriptomanalysen anhand von Gesamt-Genom-Microarrays. Das Zweikomponentensystem CckA/CtrA der Mutante war dauerhaft reprimiert und könnte für die Kontrolle des Zellzyklus-und Differenzierung zuständig sein. Weiterhin waren Gene der Flagellenbiosynthese und des Typ IV Sekretionssystems dauerhaft reprimiert. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigte sich mit der Erforschung der regulatorischen Eigenschaften von QS während der Kokultivierung mit dem bakterien-freien (axenischen) Dinoflagellaten P. minimum, bzw. dem Haptophyten I. galbana. Zum Nachweis der AHL Produktion in vivo wurde ein GFP-Reporterkonstrukt in D. shibae eingebracht.

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Buchholz, Ina: Quorum sensing in Dinoroseobacter shibae DFL-12T and its possible role in algae symbiosis. 2011.

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