Etablierung der DNA-Mikroarray-Transkriptom-Analyse für Halobacterium salinarum R1

Basierend auf der Genomsequenz von H. sal. R1 wurde ein genspezifischer Gesamt-Genom-DNA-Mikroarray konstruiert. Hierzu wurden für jeden ORF des Genoms ORF-spezifische Oligonukleotide abgeleitet und zur spezifischen Amplifizierung der Genabschnitte mittels PCR eingesetzt. Nach Amplifizierung und Reinigung der Genabschnitte deckten die Produkte über 97% des halobakteriellen Genoms ab. Zur Konstruktion des Gesamt-Genom-DNA-Mikroarrays wurde jede spezifische Gensonde in fünffacher Wiederholung auf den DNA-Array aufgebracht. Auf diese Weise wurde ein DNA-Mikroarray erstellt, der mit einer Gesamtzahl von 13545 genspezifischen Sonden, das bisher dichteste Raster eines archaealen DNA-Mikroarrays aufweist. Durch parallele genomweite Genexpressionsanalyse in H. sal. R1, wurde der Vergleich zwischen aerobem und phototrophem Wachstum in drei umfassenden DNA-Mikroarrayexperimenten gezogen. Die Mikroarrayexperimente wurden mit dem so genannten „common reference“ Experimentdesign durchgeführt, bei dem eine Mischung aller RNA-Proben eines Experiments als Referenz bei den Hybridisierungen dient. Als weitere Vorraussetzung zur späteren statistischen Datenanalyse wurden die Transkriptomexperimente alle vier- bis fünfmal in unabhängigen Experimenten wiederholt. Die Wahl der Referenz und die Anzahl der unabhängigen biologischen Replikate haben die Basis geschaffen, die erhobenen Expressionsdaten mit Hilfe des R/MAANOVA Paktes der flexiblen und leistungsstarken statistischen Programmoberfläche R auszuwerten. Eine leistungsstarke und flexible Programmoberfläche zur Datenanalyse war unerlässlich, denn mit steigender Komplexität eines Transkriptomexperiments, steigt auch die Anzahl der notwendigen Wiederholungen und damit einhergehend die Gesamtzahl der auszuwertenden Datenpunkte. Für ein durchgeführtes Zeitreihenexperiment vom Wechsel aerobes zu phototrophem Wachstum mit sechs Zeitpunkten, fallen ca. 384.000 Datenpunkte an, für deren Vorder- und Hintergrundwerte die statistischen Kennwerte berechnet werden mussten. Ein solcher statistischer Kennwert ist der so genannte p-Wert, der die Signifikanz eines Ergebnisses widerspiegelt. Auf der Basis dieser signifikanten p-Werte ist eine Liste von 242 Kandidatengenen erstellt worden, die als differentiell exprimiert angesehen werden. Ein Anteil von 54.5% dieser differentiell exprimierten Gene weist kein homologes Protein oder Funktion auf. Diese Tatsache, birgt die Chance sowohl die Existenz dieser ORFs, als auch ihre Funktion aufzuklären. In diesem Zusammenhang wurden für die hypothetischen ORFs OE3107F und OE3136F Deletionsmutanten hergestellt und näher charakterisiert. Dabei wurde festgestellt, dass die Deletionsmutanten R1D3107 und R1D3136 im Vergleich zum WT-Stamm H. sal. R1 deutliche Unterschiede in ihrer Pigmentzusammensetzung aufweisen. Beide Deletionsstämme weisen z.B. einen geringeren Gehalt an Bakteriorhodopsin auf. Somit hat die neu etablierte Methode der DNA-Mikroarray basierten Genexpressionsanalyse dazu beigetragen, zwei bisher unbekannte Kandidaten der Regulation der Expression des Bakteriorhodopsins in H. sal. R1 zu identifizieren. Durch zellfreie in vitro Expression des Gens OE3136F wurde ein möglicher Ansatz zur näheren Charakterisierung und Funktionsaufklärung aufgezeigt. Neben der Herstellung von Deletionsmutanten und deren Charakterisierung, wurde durch die Anwendung einer weiteren Datenanalyse mittels PCA (Hauptkomponentenanalyse) und dem Ansatz die erhobenen Transkriptomdaten auf Stoffwechselwegen abzubilden, zwei weitere denkbare Wege aufgezeigt, aus den ermittelten Expressionsdaten mehr Informationen zu erhalten. Die Ergebnisse aller Transkriptomexperimente für H. sal. R1 stimmen mit den Ergebnissen früherer Arbeiten überein und durch unabhängige Methoden wie RT-PCR, Nothern-Blot-Analysen und Proteomvergleich konnten die Resultate der Expressionsanalysen eindeutig verifiziert werden. Die Konstruktion und Herstellung der H. sal. R1 Gesamtgenom-Mikroarrays und Ausarbeitung eines Standardprotokolls zur Versuchsdurchführung, bilden die Grundlage aller Transkriptomexperimente der Arbeitsgruppe. Daneben ermöglicht die Schaffung einer bioinformatischen Infrastruktur zur statistisch signifikanten Auswertung der DNA-Mikroarray-Hybridisierungsergebnisse die Erstellung einer Transkriptomdatenbank, die durch Anknüpfung an die bereits vorhandene HaloLex-Datenbank jedem Nutzer für weitere Mikroarray-Experimente mit anderer Fragestellung in leichter Form zur Verfügung steht. Abschließend kann gesagt werden, dass die DNA-Mikroarray basierende Transkriptomanalyse von H. sal. R1 dazu beigetragen hat das Wissen über den Prozess der Anpassung an das phototrophe Wachstum zu erweitern. Die in der Arbeit erhobenen Daten bilden die Grundlage einer Datensammlung, die es zu einem späteren Zeitpunkt ermöglichen wird, über viele verschiedene Experimente hinweg neue Co-Regulationen von Genen zu erfassen und damit neue Gene und Verknüpfungen zwischen Stoffwechselwegen schnell und einfach zu detektieren. Die vorliegende Arbeit kann als Ausgangspunkt für genomweite funktionelle Charakterisierung haloarchaealer Genexpression und ihrer Regulation angesehen werden. Dieser Punkt ist im Hinblick auf die wachsende Bedeutung der Systembiologie von entscheidender Wichtigkeit, denn nur auf der Basis von soliden experimentellen Ergebnissen können Modelle aufgestellt und verbessert werden

Genome-wide analysis of growth phase-dependent translational and transcriptional regulation in halophilic archaea : research article

Background Differential expression of genes can be regulated on many different levels. Most global studies of gene regulation concentrate on transcript level regulation, and very few global analyses of differential translational efficiencies exist. The studies have revealed that in Saccharomyces cerevisiae, Arabidopsis thaliana, and human cell lines translational regulation plays a significant role. Additional species have not been investigated yet. Particularly, until now no global study of translational control with any prokaryotic species was available. Results A global analysis of translational control was performed with two haloarchaeal model species, Halobacterium salinarum and Haloferax volcanii. To identify differentially regulated genes, exponentially growing and stationary phase cells were compared. More than 20% of H. salinarum transcripts are translated with non-average efficiencies. By far the largest group is comprised of genes that are translated with above-average efficiency specifically in exponential phase, including genes for many ribosomal proteins, RNA polymerase subunits, enzymes, and chemotaxis proteins. Translation of 1% of all genes is specifically repressed in either of the two growth phases. For comparison, DNA microarrays were also used to identify differential transcriptional regulation in H. salinarum, and 17% of all genes were found to have non-average transcript levels in exponential versus stationary phase. In H. volcanii, 12% of all genes are translated with non-average efficiencies. The overlap with H. salinarum is negligible. In contrast to H. salinarum, 4.6% of genes have non-average translational efficiency in both growth phases, and thus they might be regulated by other stimuli than growth phase. Conclusions For the first time in any prokaryotic species it was shown that a significant fraction of genes is under differential translational control. Groups of genes with different regulatory patterns were discovered. However, neither the fractions nor the identity of regulated genes are conserved between H. salinarum and H. volcanii, indicating that prokaryotes as well as eukaryotes use differential translational control for the regulation of gene expression, but that the identity of regulated genes is not conserved For 70 H. salinarum genes potentiation of regulation was observed, but for the majority of regulated genes either transcriptional or translational regulation is employed

Genome-wide analysis of growth phase-dependent translational and transcriptional regulation in halophilic archaea

<p>Abstract</p> <p>Background</p> <p>Differential expression of genes can be regulated on many different levels. Most global studies of gene regulation concentrate on transcript level regulation, and very few global analyses of differential translational efficiencies exist. The studies have revealed that in <it>Saccharomyces cerevisiae</it>, <it>Arabidopsis thaliana</it>, and human cell lines translational regulation plays a significant role. Additional species have not been investigated yet. Particularly, until now no global study of translational control with any prokaryotic species was available.</p> <p>Results</p> <p>A global analysis of translational control was performed with two haloarchaeal model species, <it>Halobacterium salinarum </it>and <it>Haloferax volcanii</it>. To identify differentially regulated genes, exponentially growing and stationary phase cells were compared.</p> <p>More than 20% of <it>H. salinarum </it>transcripts are translated with non-average efficiencies. By far the largest group is comprised of genes that are translated with above-average efficiency specifically in exponential phase, including genes for many ribosomal proteins, RNA polymerase subunits, enzymes, and chemotaxis proteins. Translation of 1% of all genes is specifically repressed in either of the two growth phases. For comparison, DNA microarrays were also used to identify differential transcriptional regulation in <it>H. salinarum</it>, and 17% of all genes were found to have non-average transcript levels in exponential versus stationary phase.</p> <p>In <it>H. volcanii</it>, 12% of all genes are translated with non-average efficiencies. The overlap with <it>H. salinarum </it>is negligible. In contrast to <it>H. salinarum</it>, 4.6% of genes have non-average translational efficiency in both growth phases, and thus they might be regulated by other stimuli than growth phase.</p> <p>Conclusion</p> <p>For the first time in any prokaryotic species it was shown that a significant fraction of genes is under differential translational control. Groups of genes with different regulatory patterns were discovered. However, neither the fractions nor the identity of regulated genes are conserved between <it>H. salinarum </it>and <it>H. volcanii</it>, indicating that prokaryotes as well as eukaryotes use differential translational control for the regulation of gene expression, but that the identity of regulated genes is not conserved.</p> <p>For 70 <it>H. salinarum </it>genes potentiation of regulation was observed, but for the majority of regulated genes either transcriptional or translational regulation is employed.</p