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

Microarray Analysis in the Archaeon Halobacterium salinarum Strain R1

Background: Phototrophy of the extremely halophilic archaeon Halobacterium salinarum was explored for decades. The research was mainly focused on the expression of bacteriorhodopsin and its functional properties. In contrast, less is known about genome wide transcriptional changes and their impact on the physiological adaptation to phototrophy. The tool of choice to record transcriptional profiles is the DNA microarray technique. However, the technique is still rarely used for transcriptome analysis in archaea. Methodology/Principal Findings: We developed a whole-genome DNA microarray based on our sequence data of the Hbt. salinarum strain R1 genome. The potential of our tool is exemplified by the comparison of cells growing under aerobic and phototrophic conditions, respectively. We processed the raw fluorescence data by several stringent filtering steps and a subsequent MAANOVA analysis. The study revealed a lot of transcriptional differences between the two cell states. We found that the transcriptional changes were relatively weak, though significant. Finally, the DNA microarray data were independently verified by a real-time PCR analysis. Conclusion/Significance: This is the first DNA microarray analysis of Hbt. salinarum cells that were actually grown under phototrophic conditions. By comparing the transcriptomics data with current knowledge we could show that our DNA microarray tool is well applicable for transcriptome analysis in the extremely halophilic archaeon Hbt. salinarum. The reliability of our tool is based on both the high-quality array of DNA probes and the stringent data handling including MAANOVA analysis. Among the regulated genes more than 50% had unknown functions. This underlines the fact that haloarchaeal phototrophy is still far away from being completely understood. Hence, the data recorded in this study will be subject to future systems biology analysis

Imagetransfer durch Kultursponsoring : am Beispiel der AUDI AG und den Salzburger Festspielen

In der Bachelorarbeit wird der Imagetransfer durch Kultursponsoring am Beispiel des kulturellen Sponsorships der AUDI AG bei den Salzburger Festspielen beleuchtet. Ziel der Arbeit ist es, die Möglichkeiten und Grenzen des Imagetransfers im Kultursponsoring aufzuzeigen und die Attraktivität des Kommunikationsinstruments Kultursponsoring darzulegen. Nach einer Darstellung der aktuellen Forschungslage im Bereich Kultursponsoring wird der Imagetransfer durch Kultursponsoring erläutert und zudem eine Imagetransferstrategie dargelegt. Außerdem wird am Beispiel des kulturellen Sponsorships der AUDI AG mit den Salzburger Festspielen gezeigt, wie ein Unternehmen sein Image verändern kann. Abschließend soll nach der Analyse der Grenzen eines Imagetransfers im Kultursponsoring und der zukünftigen Aussichten des Kultursponsorings das Potential des Instruments Kultursponsoring für einen Imagetransfer erkannt werde

Etablierung von DNA-Mikroarray-Analysen für halophile Archaea und ihre Anwendung zur Analyse von Stoffwechsel und Zellzyklus

Die halophilen Archaea Haloferax volcanii und Halobacterium salinarum haben sich aufgrund ihrer metabolischen Vielseitigkeit und der Verfügbarkeit vieler molekulargenetischer und biochemischer Techniken zu archaealen Modellorganismen für die Untersuchung zellulärer Prozesse entwickelt. In den vergangenen Jahren wurden eine Vielzahl prokaryaler Genome sequenziert, es zeigte sich jedoch, dass ca. 30% aller Gene keine Funktion zugeordnet werden kann. Die funktionelle Genomforschung zielt darauf, durch parallele genomweite Untersuchung der Genexpression die Funktion der Transkripte bzw. der Proteine aufzuklären. In der vorliegenden Arbeit wurden für beide halophilen Archaea genomweite Genexpressionsanalysen unter Verwendung der DNA-Mikroarray- Technologie etabliert. Aufgrund der derzeit nicht vorhandenen Genomsequenz wurde für die Untersuchung der Genexpression von H. volcanii der erste und bisher einzig beschriebene genomweite shotgun-DNA-Mikroarray konstruiert. Dazu wurde zunächst eine Genombibliothek mit einer durchschnittlichen Fragmentgröße von 1,5 kb hergestellt. Die Genombibliothek wurde anschließend in eine PCR-Produkt-Bibliothek umgewandelt, die dazu genutzt wurde, in einem hochdichten Raster zwei DNA-Mikroarrays herzustellen, einen 960-Sonden DNA-Mikroarray zur Etablierung und Optimierung der Methode und einen 2880-Sonden DNA-Mikroarray, der einer einfachen Genomabdeckung entspricht. Für den Vergleich der Genexpression nach einer Änderung der Kohlenstoffquelle wurden Zellen von H. volcanii einem Wechsel von Wachstum mit Aminosäuren zu Wachstum mit Glukose als alleiniger Kohlenstoff-Quelle unterzogen. Die Transkriptomänderungen vom Wechsel der Kohlenstoff-Quelle bis zum erneuten Beginn des exponentiellen Wachstums wurden zu fünf Zeitpunkten mit dem 2880-Sonden DNA-Mikroarray analysiert. Es wurden fünf verschiedene Klassen kinetisch gleichregulierter Gene gefunden, die entweder induziert, reprimiert oder transient induziert waren. Insgesamt wurden ca. 10% aller Gene zu mindestens einem Zeitpunkt mehr als 2,5 fach reguliert. Für Gene aller fünf Klassen wurden die Ergebnisse durch Northern-Analysen verifiziert. Die Identität der regulierten Gene wurde durch Sequenzierung der PCR-Produkte von beiden Enden ermittelt. Es wurde ein breites Spektrum an Genen identifiziert, deren Genprodukte für unterschiedliche funktionelle Kategorien wie Stoffwechselenzyme, ABC-Transporter, regulatorische Proteine und hypothetische Proteine usw. kodieren. Viele gleichregulierte Gene kodieren für Proteine gemeinsamer Funktion. Erwartete wie auch unerwartete Ergebnisse erlaubten Vorhersagen über den zentralen Metabolismus, die Transportkapazität und der zellulären Organisation bei Wachstum von H. volcanii auf Aminosäuren bzw. Glukose. Die Mikroarray-Analysen stehen im Einklang mit der Wachstumsrate und dem Ribosomengehalt von H. volcanii bei Wachstum auf den alternativen Kohlenstoffquellen. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass ein shotgun-DNA-Mikroarray mit einfacher Genomabdeckung die Charakterisierung der Regulation metabolischer Prozesse sowie die funktionelle Charakterisierung von Proteinen bzw. Proteinkomplexen erlaubt. Für Halobacterium salinarum, dessen Genomsequenz bekannt ist, wurde ein genomweiter genspezifischer DNA-Mikroarray konstruiert. Hierzu wurde jeder ORF des Genoms unter Verwendung von ORF-spezifischen Oligonukleotiden mittels PCR amplifiziert. Zur Etablierung dieses Systems wurden zunächst mit einem 200-Sonden DNA-Mikroarray exemplarisch Genexpressionsanalysen für zwei verschiedene Wachstumsbedingungen durchgeführt. Bei anaeroben Wachstum von H. salinarum durch fermentativen Argininabbau wurden im Vergleich zu aeroben Wachstum die für die Argininfermentation essentiellen Gene induziert. Dagegen wurden charakteristische Gene des aeroben Stoffwechsels reprimiert. Zur Untersuchung des Zellzyklusses von H. salinarum wurde der genomweite genspezifische DNAMikroarray verwendet. Um erstmals genomweit die zellzyklusspezifische Genexpression eines Archaeons zu analysieren, wurden Zellen von H. salinarum durch eine reversible Zellzyklusblockade mit Aphidicolin, einem DNA-Polymerase Inhibitor, synchronisiert. Vorläufige Transkriptomstudien mit einer synchron wachsenden H. salinarum-Kultur deuten an, dass die Transkription der Mehrzahl der Gene im Verlauf des Zellzyklusses nicht reguliert wird. Die Untersuchungen dieser Arbeit bilden die Grundlage für genomweite funktionelle Charakterisierungen haloarchaealer Genexpression und Regulationsprozesse

Construction and usage of a onefold-coverage shotgun DNA microarray to characterize the metabolism of the archaeon Haloferax volcanii.

Haloferax volcanii is a moderately halophilic archaeon that can grow aerobically and anaerobically with a variety of substrates. We undertook a novel approach for the characterization of metabolic adaptations, i.e. transcriptome analysis with a onefold-coverage shotgun DNA microarray. A genomic library was constructed and converted into a polymerase chain reaction (PCR) product library, which was used to print two DNA microarrays, a 960-spot test array used for optimization of microarray analysis and a 2880-spot onefold-coverage array. H. volcanii cultures were shifted from casamino acid-based metabolism to glucose-based metabolism, and the transcriptome changes were analysed with the onefold-coverage array at five time points covering the transition phase and the onset of exponential growth with the new carbon source. About 10% of all genes were found to be more than 2.5-fold regulated at at least one time point. The genes fall into five clusters of kinetically co-regulated genes. For members of all five clusters, the results were verified by Northern blot analyses. The identity of the regulated genes was determined by sequencing. Many co-regulated genes encode proteins of common functions. Expected as well as a variety of unexpected findings allowed predictions about the central metabolism, the transport capacity and the cellular composition of H. volcanii growing on casamino acids and on glucose. The microarray analyses are in accordance with the growth rates and ribosome contents of H. volcanii growing on the two carbon sources. Analysis of the results revealed that onefold-coverage shotgun DNA microarrays are well suited to characterize the regulation of metabolic pathways as well as protein complexes in response to changes in environmental conditions