Charakterisierung kleiner regulatorischer RNAs von Haloferax volcanii und Identifizierung ihrer Ziele

Im Rahmen dieser Arbeit wurden sRNAs des halophilen Archaeons Haloferax volcanii hinsichtlich ihrer biologischen und ihrer regulatorischen Funktion charakterisiert. Um einen Überblick über die biologischen Funktionen archaealer sRNAs zu erhalten, wurde eine umfassende phänotypische Charakterisierung von 27 sRNA-Deletionsmutanten im Vergleich zum Wildtyp ausgewertet. Im Zuge dieser phänotypischen Charakterisierungen wurden zehn verschiedene Wachstumsbedingungen, morphologische Unterschiede und Veränderungen in der Zellmotilität untersucht. Hierbei zeigten nahezu alle Deletionsmutanten unter mindestens einer der getesteten Bedingungen phänotypische Unterschiede. Durch den Verlust von sRNAs wurden sowohl sogenannte Gain-of-function als auch Loss-of-function Phänotypen beobachtet. Haloarchaeale sRNAs spielen eine wichtige Rolle beim Wachstum mit verschiedenen Salzkonzentrationen, mit verschiedenen Kohlenstoffquellen und beim Schwärmverhalten, sind jedoch weniger in die Adaptation an diverse Stressbedingungen involviert. Zur näheren Charakterisierung der regulatorischen Funktion archaealer sRNAs wurden sRNA362, sRNAhtsf468 und sRNA479 mittels molekulargenetischer Methoden wie Northern Blot-Analyse und DNA-Mikroarray sowie bioinformatischer in silico-Analyse untersucht. Das Expressionslevel von sRNA362 konnte bestimmt und potentielle Zielgene für sRNAhtsf468 und sRNA479 identifiziert werden. Eine vorangegangene Studie zeigte den Einfluss von sRNA30 unter Hitzestress und führte zur Identifikation differentiell produzierter Proteine in Abwesenheit der sRNA. In dieser Arbeit wurde mittels Northern Blot-Analysen die Expression der sRNA30 charakterisiert. Das Wachstum in An- und Abwesenheit von sRNA30 wurde bei 42°C und 51°C phänotypisch charakterisiert und der regulatorische Einfluss der sRNA auf die mRNA differentiell regulierter Proteine durch Northern Blot-Analyse überprüft. Eine Transkriptomanalyse mittels DNA-Mikroarray nach Hitzeschock-Induktion führte zur Identifikation differentiell regulierter Gene involviert in Transportprozesse, Metabolismus, Transkriptionsregulation und die Expression anderer sRNAs. Die differentielle Regulation des Proteoms nach Hitzeschockinduktion in An- und Abwesenheit von sRNA30 konnte bestätigt werden. Desweiteren wurde in dieser Arbeit sRNA132 und deren phosphatabhängige Regulation der Ziel-mRNA HVO_A0477-80 näher charakterisiert. Eine Induktionskinetik nach Phosphatentzug bestätigte die Bedeutung von sRNA132 für die verstärkte Expression des Operons HVO_A0477-80 unter Phosphatmangel-Bedingungen und verwies auf die Existenz weiterer Regulationsmechanismen. Während vor und nach Phosphatentzug kein Unterschied bezüglich der Zellmorphologie von Wildtyp und Deletionsmutante zu erkennen war, führte das Wachstum mit einem starken Phosphatüberschuss von 5 mM zu einer Zellverlängerung der Deletionsmutante. Die Kompetition der nativen 3‘-UTR des Operons HVO_A0477-80 mit einer Vektor-kodierten artifiziellen 3‘-UTR legt eine Regulation über die Bindung von sRNA132 an die 3‘-UTR nahe. Der Transkriptomvergleich nach Phosphatentzug in An- und Abwesenheit von sRNA132 führte zur Identifikation des Phosphoregulons der sRNA. Zu diesem Phosphoregulon gehören unter anderem zwei Glycerinphosphat-Dehydrogenasen, Transkriptionsregulatoren, eine Polyphosphatkinase und eine Glycerolphosphodiesterase. Zudem waren die Transkriptlevel der beiden ABC-Transporter HVO_A0477-80 und HVO_2375-8 für anorganisches Phosphat und des Transporters HVO_B0292-5 für Glycerinaldehyd-3-Phosphat in Abwesenheit der sRNA verringert. Die beiden ABC-Transportsysteme für anorganisches Phosphat wurden im Rahmen dieser Arbeit deletiert und weiter charakterisiert. Es konnte gezeigt werden, dass das ABC-Transportsystem HVO_2375-8 bei geringen Phosphatkonzentrationen leicht induziert wird und das Transkriptlevel in Anwesenheit von sRNA132 erhöht ist. Wachstumsversuche der jeweiligen Deletionsmutante in direkter Konkurrenz mit dem Wildtyp zeigten, dass keiner der beiden ABC-Transporter den anderen vollständig ersetzen kann und der Wildtyp mit beiden intakten ABC-Transportern unter phosphatlimitierenden Bedingungen einen Wachstumsvorteil besitzt. In silico-Analysen der Promotorbereiche von sRNA und ABC-Transporter legen zudem die Existenz von P-Boxen nahe

Deletion of the Sm1 encoding motif in the lsm gene results in distinct changes in the transcriptome and enhanced swarming activity of Haloferax cells

Members of the Sm protein family are important for the cellular RNA metabolism in all three domains of life. The family includes archaeal and eukaryotic Lsm proteins, eukaryotic Sm proteins and archaeal and bacterial Hfq proteins. While several studies concerning the bacterial and eukaryotic family members have been published, little is known about the archaeal Lsm proteins. Although structures for several archaeal Lsm proteins have been solved already more than ten years ago, we still do not know much about their biological function, however one can confidently propose that the archaeal Lsm proteins will also be involved in RNA metabolism. Therefore, we investigated this protein in the halophilic archaeon Haloferax volcanii. The Haloferax genome encodes a single Lsm protein, the lsm gene overlaps and is co-transcribed with the gene for the ribosomal L37.eR protein. Here, we show that the reading frame of the lsm gene contains a promoter which regulates expression of the overlapping rpl37R gene. This rpl37R specific promoter ensures high expression of the rpl37R gene in exponential growth phase. To investigate the biological function of the Lsm protein we generated a lsm deletion mutant that had the coding sequence for the Sm1 motif removed but still contained the internal promoter for the downstream rpl37R gene. The transcriptome of this deletion mutant was compared to the wild type transcriptome, revealing that several genes are down-regulated and many genes are up-regulated in the deletion strain. Northern blot analyses confirmed down-regulation of two genes. In addition, the deletion strain showed a gain of function in swarming, in congruence with the up-regulation of transcripts encoding proteins required for motility

Generation and phenotyping of a collection of sRNA gene deletion mutants of the haloarchaeon Haloferax volcanii

The haloarchaeon Haloferax volcanii was shown to contain 145 intergenic and 45 antisense sRNAs. In a comprehensive approach to unravel various biological roles of haloarchaeal sRNAs in vivo, 27 sRNA genes were selected and deletion mutants were generated. The phenotypes of these mutants were compared to that of the parent strain under ten different conditions, i.e. growth on four different carbon sources, growth at three different salt concentrations, and application of four different stress conditions. In addition, cell morphologies in exponential and stationary phase were observed. Furthermore, swarming of 17 mutants was analyzed. 24 of the 27 mutants exhibited a difference from the parent strain under at least one condition, revealing that haloarchaeal sRNAs are involved in metabolic regulation, growth under extreme conditions, regulation of morphology and behavior, and stress adaptation. Notably, 7 deletion mutants showed a gain of function phenotype, which has not yet been described for any other prokaryotic sRNA gene deletion mutant. Comparison of the transcriptomes of one sRNA gene deletion mutant and the parent strain led to the identification of differentially expressed genes. Genes for flagellins and chemotaxis were up-regulated in the mutant, in accordance with its gain of function swarming phenotype. While the deletion mutant analysis underscored that haloarchaeal sRNAs are involved in many biological functions, the degree of conservation is extremely low. Only 3 of the 27 genes are conserved in more than 10 haloarchaeal species. 22 of the 27 genes are confined to H. volcanii, indicating a fast evolution of haloarchaeal sRNA genes

Overview of sRNA gene deletion mutants and selected features.

<p>* published in Heyer <i>et al.</i>, 2012.</p

Distribution of intergenic sRNA genes on the replicons of <i>H. volcanii</i>.

<p>Distribution of intergenic sRNA genes on the replicons of <i>H. volcanii</i>.</p

Swarming velocity of the parent strains (black, grey) and 17 mutants.

<p>The mutant with a gain of function phenotype is shown in blue, the five mutants with a loss of function phenotype are shown in red. Average values of three replicates and their standard deviations are shown.</p

Swarm plate analysis of parent strain (H26) and deletion mutant Δ63 in the absence and presence of 1% (v/v) ethanol, as indicated.

<p>The pictures were taken at four different times after inoculation, as indicated.</p

Schematic representation of all conditions under which sRNAs have important functions in <i>H. volcanii</i>.

<p>The importance of sRNAs was either deduced from phenotypic analysis of deletion mutants (this publication) or from the analyis of differential expression using Northern blot analysis and high throughput sequencing <a href="http://www.plosone.org/article/info:doi/10.1371/journal.pone.0090763#pone.0090763-Heyer1" target="_blank">[29]</a>, <a href="http://www.plosone.org/article/info:doi/10.1371/journal.pone.0090763#pone.0090763-Straub1" target="_blank">[33]</a>.</p

Numbers of mutants with phenotypic difference to the parent strain during growth at three different NaCl concentrations.

<p>Numbers of mutants with phenotypic difference to the parent strain during growth at three different NaCl concentrations.</p