A comprehensive set of plasmids for vanillate- and xylose-inducible gene expression in Caulobacter crescentus

Caulobacter crescentus is widely used as a powerful model system for the study of prokaryotic cell biology and development. Analysis of this organism is complicated by a limited selection of tools for genetic manipulation and inducible gene expression. This study reports the identification and functional characterization of a vanillate-regulated promoter (Pvan) which meets all requirements for application as a multi-purpose expression system in Caulobacter, thus complementing the established xylose-inducible system (Pxyl). Furthermore, we introduce a newly constructed set of integrating and replicating shuttle vectors that considerably facilitate cell biological and physiological studies in Caulobacter. Based on different narrow and broad-host range replicons, they offer a wide choice of promoters, resistance genes, and fusion partners for the construction of fluorescently or affinity-tagged proteins. Since many of these constructs are also suitable for use in other bacteria, this work provides a comprehensive collection of tools that will enrich many areas of microbiological research

Analyse der elektroenzephalographischen Hirntätigkeit, der perkutan gemessenen Sauerstoffsättigung und des endexpiratorisch gemessenen Kohlendioxids gesunder Probanden in Abhängigkeit der akuten Höhenkrankheit im Rahmen einer Himalaya-Expedition auf 5.050 m Höhe

Die akute Höhenkrankheit ist durch eine Kombination unspezifischer Symptome wie Kopfschmerzen, Erbrechen, Übelkeit, Erschöpfung, Schwindel und Schlafstörungen gekennzeichnet. Als schwerere Formen können ein Höhenhirnödem und/ oder Höhenlungenödem auftreten. Sie kann ab 2.500 m auftreten und ist abhängig von der Akklimatisation und Aufstiegsgeschwindigkeit. Bisher gibt es keine Möglichkeit vorherzusagen, welche Bergsteiger im Verlauf einer Expedition an der Höhenkrankheit erkranken und welche nicht. Die vorliegende Studie sollte prüfen, ob eine Beziehung zwischen EEG Veränderungen und Symptomen der akuten Höhenkrankheit besteht, ob mögliche Effekte auf das EEG mit Änderungen der peripher gemessenen Sauerstoffsättigung und des endexpiratorisch gemessenen Kohlendioxids als Ausdruck kompensatorischer Mechanismen korrelieren, und ob EEG Veränderungen, Änderungen der peripher gemessenen Sauerstoffsättigung oder des endexpiratorisch gemessenen Kohlendioxids einen prediktiven Wert zu Voraussagen der akuten Höhenkrankheit besitzen. Basismessungen fanden auf 100 m in Deutschland und während einer klassischen Trekkingtour zum Everest Base Camp in Nepal auf 3.440 m und 5.050 m über 3 Wochen im Rahmen einer Feldstudie an 32 Probanden statt. Der Ausprägungsgrad der Höhenkrankheit wurde zweimal täglich mittels eines standardisierten Fragebogens (Lake Louise Score) erfasst. Die Daten von 5 Probanden, die vor 3.440 m höhenkrank wurden, oder massive EEG Artefakte aufwiesen (5 Probanden), wurden von der Datenanalyse ausgeschlossen. 12 von 22 Probanden (55%) wurden zwischen 3.440 m und 5.050 m höhenkrank. Es konnte gezeigt werden, dass bei milder Höhenkrankheit die perkutane Pulsoxymetrie und die Kapnographie keine sensitiven Methoden darstellen, um das Auftreten der akuten Höhenkrankheit vorauszusagen. Die Analyse der EEG Daten mittels Fast Fourier Transformation hingegen ermöglichte es, einen neurophysiologischen Prädiktor für das Auftreten der akuten Höhenkrankheit ausfindig zu machen. Probanden, die im weiteren Verlauf der Expedition zwischen 3.440 m und 5.050 m höhenkrank wurden, zeigten bereits zwischen 100 m und 3.440 m vor dem Auftreten erster Symptome eine rechts temporale Hirnfunktionsstörung, nämlich einen Anstieg des Deltafrequenzbereichs des EEG Powerspektrums in der Elektrode T4. Dies war bei den Gesunden nicht der Fall. Weiter konnten wir zeigen, dass bei den symptomatischen Probanden, die schlechter hyperventilierten und die somit höhere Kohlendioxidwerte hatten, der Anstieg des Deltafrequenzbereichs des EEG Powerspektrums ausgeprägter war. Dies bestätigt Ergebnisse, die zeigten, dass der Grad der Hyperventilation ein entscheidender Faktor bei der erfolgreichen Akklimatisation ist. Die frontale und occipitale Grundaktivität stieg bei allen Probanden initial als Ausdruck der Kompensation an. Bei weiterem Aufstieg konnte dieser Mechanismus von den symptomatischen Probanden nicht mehr aufrecht erhalten werden, was zu einem Abfall der Grundaktivität führte

Activated chemoreceptor arrays remain intact and hexagonally packed

Bacterial chemoreceptors cluster into exquisitively sensitive, tunable, highly ordered, polar arrays. While these arrays serve as paradigms of cell signalling in general, it remains unclear what conformational changes transduce signals from the periplasmic tips, where attractants and repellents bind, to the cytoplasmic signalling domains. Conflicting reports support and contest the hypothesis that activation causes large changes in the packing arrangement of the arrays, up to and including their complete disassembly. Using electron cryotomography, here we show that in Caulobacter crescentus, chemoreceptor arrays in cells grown in different media and immediately after exposure to the attractant galactose all exhibit the same 12 nm hexagonal packing arrangement, array size and other structural parameters. ΔcheB and ΔcheR mutants mimicking attractant- or repellent-bound states prior to adaptation also show the same lattice structure. We conclude that signal transduction and amplification must be accomplished through only small, nanoscale conformational changes

Chromosomal periodicity and positional networks of genes in Escherichia coli

Escherichia coli periodic gene distribution is identified for a periodic interval of 33 kb.Two positional networks of genes are discovered by studying gene periodic distribution: one is driven by metabolic genes and the other by genes involved in cellular processing and signaling.A functional core of Escherichia coli genes drives gene periodic distribution.A few chromosomal regions that preserve gene transcription profiles across environmental changes are identified.This single genome analysis approach can be taken as a footprint for a large-scale bacterial and archaeal periodic distribution analysis

A gradient-forming MipZ protein mediating the control of cell division in the magnetotactic bacterium Magnetospirillum gryphiswaldense

Cell division needs to be tightly regulated and closely coordinated with other cellular processes to ensure the generation of fully viable offspring. Here, we investigate division site placement by the cell division regulator MipZ in the alphaproteobacterium Magnetospirillum gryphiswaldense, a species that forms linear chains of magnetosomes to navigate within the geomagnetic field. We show that M. gryphiswaldense contains two MipZ homologs, termed MipZ1 and MipZ2. MipZ2 localizes to the division site, but its absence does not cause any obvious phenotype. MipZ1, by contrast, forms a dynamic bipolar gradient, and its deletion or overproduction cause cell filamentation, suggesting an important role in cell division. The monomeric form of MipZ1 interacts with the chromosome partitioning protein ParB, whereas its ATP-dependent dimeric form shows non-specific DNA-binding activity. Notably, both the dimeric and, to a lesser extent, the monomeric form inhibit FtsZ polymerization in vitro. MipZ1 thus represents a canonical gradient-forming MipZ homolog that critically contributes to the spatiotemporal control of FtsZ ring formation. Collectively, our findings add to the view that the regulatory role of MipZ proteins in cell division is conserved among many alphaproteobacteria. However, their number and biochemical properties may have adapted to the specific needs of the host organism

Der Translationsfaktor SelB

Die kotranslationelle Dekodierung des Kodons UGA als Selenocystein erfolgt durch eine spezifische tRNA (tRNASec), die von Seryl-tRNA Synthetase mit Serin beladen und anschließend von Selenocystein Synthase (SelA) zu Selenocysteyl- tRNASec umgesetzt wird. Selenophosphat, das als Selendonor für diese Reaktion dient, wird von Selenophosphat Synthetase (SelD) aus Selenid und ATP generiert. Der anschließende Transfer der beladenen tRNA zum Ribosom erfolgt durch den spezialisierten Elongationsfaktor SelB, dessen N-terminale Region Homologie zu EF-Tu zeigt und wie dieses Guanosin-Nukleotide und tRNA bindet. Der C-terminale Teil interagiert zusätzlich mit einer als SECIS-Element bezeichneten mRNA- Sekundärstruktur, die in Bakterien unmittelbar auf das für Selenocystein kodierende UGA-Triplett folgt und für dessen Rekodierung als Sinnkodon verantwortlich ist. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den Mechanismen, die der Interaktion von SelB mit seinen Liganden sowie der Regulation der Selenocystein- Biosynthese durch SelB zu Grunde liegen. Im Einzelnen wurden dabei folgende Resultate erhalten: 1) Die strikte Diskriminierung zwischen Seryl- und Selenocysteyl-tRNASec durch SelB ist essentiell für das Funktionieren des Selenocystein inkorporierenden Systems. Eine gerichtete Mutatagenese der Aminoacyl-Bindetasche von SelB zeigte, dass die Selektivität der tRNA-Bindung vermutlich nicht auf einer spezifischen Erkennung des Aminoacyl-Rests beruht. Nach Zufallsmutagenese konnten vier SelB-Varianten isoliert werden, die in vivo eine erhöhte Aktivität mit Seryl-tRNASec besitzen. Zwei der Mutationen waren in der G-Domäne von SelB lokalisiert, die anderen beiden in Domäne 4a. Die biochemische Charakterisierung der mutierten Proteine ergab noch keinen Hinweis auf eine erhöhte Affinität der SelB-Varianten für Seryl-tRNASec, so dass andere Mechanismen für die Erweiterung der Aminosäure-Spezifität verantwortlich sein müssen. 2) Die Interaktion von SelB mit seinen Liganden wurde mit Hilfe von biochemischen und biophysikalischen Methoden analysiert. Der Elongationsfaktor zeigt im Gegensatz zu vielen anderen G-Proteinen eine höhere Affinität für GTP (KD = 0,74 µM) als für GDP (KD = 13,4 µM),was zusammen mit der hohen Dissoziationsrate von GDP (kdis = 15 s-1) darauf hinweist, dass der Nukleotidaustausch ohne Katalyse durch einen Austauschfaktor erfolgt. Die Kinetiken der Interaktion mit Guanosin-Nukleotiden werden durch die Gegenwart eines SECIS-Elements nicht beeinflusst. Die Affinität von SelB zu einem fluoresceinmarkierten SECIS-Transkript liegt im nanomolaren Bereich (KD = 1,23 nM), wobei die Assoziations- und Dissoziationskinetiken sehr schnell sind und durch die Gegenwart von Guanosin-Nukleotiden nicht verändert werden. In Gegenwart von Selenocysteyl-tRNASec wurde jedoch eine signifikante Verringerung der Dissoziationsgeschwindigkeit beobachtet, die zu einer Stabilisierung der Bindung führt und eine Interaktion zwischen der SECIS- und tRNA-Bindetasche nahelegt. Diese intramolekulare Wechselwirkung wurde durch Charakterisierung der isolierten mRNA-Bindedomäne von SelB bestätigt. Die Gleichgewichtslage der einzelnen Reaktionen führt zu einer gerichteten Bildung eines Komplexes aus SelB, GTP, Selenocysteyl-tRNASec und dem SECIS-Element, der durch seine hohe Stabilität auf der mRNA fixiert wird und gleichzeitig eine Konformation annimmt, die seine Interaktion mit dem Ribosom zulässt. 3) In der 5´-untranslatierten Region der selAB-mRNA wurde eine Sekundärstruktur identifiziert, die Ähnlichkeit mit dem SECIS-Element aufweist und mit der SelB spezifisch und mit hoher Affinität interagiert. Die Stabilität des Komplexes zwischen SelB und dem SECIS-ähnlichen Element erhöht sich in Gegenwart von Selenocysteyl-tRNASec. Eine Analyse der sel-Genexpression ergab, dass die Synthese von SelA und in geringerem Ausmaß SelB in genetischen Hintergründen, die eine Assemblierung des quaternären Komplexes aus SelB, GTP, Selenocysteyl- tRNASec und dem SECIS-ähnlichen Element erlauben, reprimiert ist. Mutationen in sel- Genen führen dagegen zu einer erhöhten intrazellulären Konzentration dieser Proteine. Mit Hilfe von Reportergen-Fusionen wurde gezeigt, dass die Repression der selA-Expression direkt von der Bildung eines quaternären Komplexes am SECIS-ähnlichen Element abhängig ist. Da diese keinen Einfluss auf die Transkription hat und nur zu einer schwachen Verringerung der mRNA-Menge führt, wurde gefolgert, dass das SECIS-ähnliche Element eine Regulation der Translationsinitiation am selA-Gen in Abhängigkeit vom Selenstatus der Zelle ermöglicht

DipM, a new factor required for peptidoglycan remodelling during cell division in Caulobacter crescentus

In bacteria, cytokinesis is dependent on lytic enzymes that facilitate remodelling of the cell wall during constriction. In this work, we identify a thus far uncharacterized periplasmic protein, DipM, that is required for cell division and polarity in Caulobacter crescentus. DipM is composed of four peptidoglycan binding (LysM) domains and a C-terminal lysostaphin-like (LytM) peptidase domain. It binds to isolated murein sacculi in vitro, and is recruited to the site of constriction through interaction with the cell division protein FtsN. Mutational analyses showed that the LysM domains are necessary and sufficient for localization of DipM, while its peptidase domain is essential for function. Consistent with a role in cell wall hydrolysis, DipM was found to interact with purified murein sacculi in vitro and to induce cell lysis upon overproduction. Its inactivation causes severe defects in outer membrane invagination, resulting in a significant delay between cytoplasmic compartmentalization and final separation of the daughter cells. Overall, these findings indicate that DipM is a periplasmic component of the C. crescentus divisome that facilitates remodelling of the peptidoglycan layer and, thus, coordinated constriction of the cell envelope during the division process

The MatP/matS Site-Specific System Organizes the Terminus Region of the E. coli Chromosome into a Macrodomain

The organization of the Escherichia coli chromosome into insulated macrodomains influences the segregation of sister chromatids and the mobility of chromosomal DNA. Here, we report that organization of the Terminus region (Ter) into a macrodomain relies on the presence of a 13 bp motif called matS repeated 23 times in the 800-kb-long domain. matS sites are the main targets in the E. coli chromosome of a newly identified protein designated MatP. MatP accumulates in the cell as a discrete focus that colocalizes with the Ter macrodomain. The effects of MatP inactivation reveal its role as main organizer of the Ter macrodomain: in the absence of MatP, DNA is less compacted, the mobility of markers is increased, and segregation of Ter macrodomain occurs early in the cell cycle. Our results indicate that a specific organizational system is required in the Terminus region for bacterial chromosome management during the cell cycle

In vivo DNase I sensitivity of the Streptomyces coelicolor chromosome correlates with gene expression: implications for bacterial chromosome structure

For a bacterium, Streptomyces coelicolor A3(2) contains a relatively large genome (8.7 Mb) with a complex and adaptive pattern of gene regulation. We discovered a correlation between the physical structure of the S.coelicolor genome and the transcriptional activity of the genes therein. Twelve genes were surveyed throughout 72 h of growth for both in vivo sensitivity to DNase I digestion and levels of transcription. DNase I-sensitivity correlated positively with transcript levels, implying that it was predictive of gene expression, and indicating increased accessibility of transcribed DNA. The genome was fractionated based on the sensitivity to DNase I digestion, with the low molecular weight (frequently cut) fraction highly enriched for actively transcribed sequences when compared to the infrequently cut fraction, which was representative of the entire genome. This approach will allow comparison of nucleoid proteins, and any modifications thereof, associated with transcriptionally active and inactive regions of the bacterial genome