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Regulation der Aktivität des Anti-Sigmafaktors RsiX aus Bacillus subtilis
(2011)
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Katharina Schäfer
- Der Gram-positive Modellorganismus Bacillus subtilis besitzt 17 alternative Sigmafaktoren, von denen 7 zur Gruppe der ECF (extra-cytoplasmic function) -Sigmafaktoren gehören. Einer dieser ECF-Sigmafaktoren, SigX, und sein entsprechender Anti-Sigmafaktor, RsiX, sind Gegenstand dieser Arbeit. Dabei handelt es sich bei RsiX um ein Transmembranprotein, während SigX im Cytoplasma lokalisiert ist und von der N-terminalen RsiX-Domäne von einer Interaktion mit der RNA-Polymerase abgehalten wird. SigW, ein weiterer ECF-Sigmafaktor, und RsiW, der dazugehörende Anti-Sigmafaktor, sind bereits sehr gut untersucht. Aufgrund struktureller Ähnlichkeiten zwischen SigX/RsiX und SigW/RsiW wurde angenommen, dass die Aktivierung des SigX-Regulons in vergleichbarer Weise erfolgt, wie es für das SigW-Regulon aufgrund intensiver Analysen sehr gut untersucht ist. Die in dieser Arbeit verwendete Methode der Transposonmutagenese lieferte entscheidende Hinweise über die Regulation des sigX-rsiX-Operons. Es konnte gezeigt werden, dass das sigX-rsiX-Operon einer Regulation durch den Transkriptionsterminator Rho unterliegt. Damit wurde das erst dritte Beispiel für eine Termination der Transkription durch den Faktor Rho in B. subtilis bekannt. Als wichtiges Element für die faktorabhängige Termination der Transkription gilt das Vorhandensein einer rut-site, der Bindestelle des Faktors Rho in der naszierenden mRNA. In dieser Arbeit wurden verschiedene Analysetechniken angewandt, um mit Hilfe eines GFP-RsiX-Reporters erstmals eine rut-site in B. subtilis zu kartieren. Die hier identifizierte rut-site von rsiX ist am 5´-Ende dieses Gens lokalisiert. Bei diesen Analysen wurde außerdem deutlich, dass es im sigX-rsiX-Operon zu einer faktorabhängigen intragenischen Termination der Transkription kommt, bei welcher nicht nur die Transkription von rsiX, sondern auch die Expression des stromaufwärts liegenden sigX beeinflusst wird. Punktmutationen in der Sequenz für die rut-site von rsiX zerstörten den Einfluss des Faktors Rho auf das sigX-rsiX-Operon, so dass keine Termination der Transkription mehr stattfand und die detektierbare Menge an sigX-rsiX-Transkript deutlich anstieg. Nur so war es möglich, einen rsiX-Knockout zu komplementieren. Messungen der beta-Galaktosidase-Aktivität eines lacZ-Reporters belegten zudem die Funktion von RsiX als Anti-Sigmafaktor von SigX. Der Verlust des Einflusses von Rho auf das sigX-rsiX-Operon aufgrund einer mutierten rut site machte auch immunologische Nachweise des Anti-Sigmafaktors möglich. Infolgedessen konnte der Frage einer möglichen RsiX-Proteolyse nach dem Vorbild der RsiW-Proteolyse nachgegangen werden. Für RsiW wurde bereits gezeigt, dass ein bestimmtes Stress-Signal den Abbau des Anti-Sigmafaktors einleitet. Die Proteolyse von RsiW erfolgt dann nach dem Mechanismus der regulierten intramembranen Proteolyse (RIP) unter der Beteiligung mehrerer Proteasen. Neben der Beteiligung der Protease RasP an der RsiW-Proteolyse konnte hier auch die Beteiligung von RasP an der RsiX-Proteolyse nachgewiesen werden. Gleichzeitig wurde aber ausgeschlossen, dass die Protease PrsW, welche auch an der RsiW-Proteolyse beteiligt ist, in die RsiX-Proteolyse involviert ist. Demnach können die einzelnen Schritte der RsiW-Proteolyse nicht einfach auf die RsiX-Proteolyse übertragen werden, obwohl es sich bei beiden Transmembranproteinen um Anti-Sigmafaktoren ihrer jeweiligen ECF-Sigmafaktoren handelt.
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Construction of an efficient secretion system for recombinant proteins in Bacillus subtilis
(2011)
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Kelly Cristina Leite
- All proteins being translocated through the cytoplasmic membrane of bacteria cells as well as some proteins that are inserted into the cytoplasmic membrane contain a signal sequence at their N-terminus that is recognized by and targeted to the translocation machinery. Three translocation pathways have been described, so far in E. coli to allow secretion of proteins: The Sec, the Tat and the SRP (Signal Recognition Particle) pathway. While the Sec and the Tat pathway act post-translationally and accept unfolded and correctly folded polypeptides, respectively, the SRP pathway acts co-translationally. For proteins secreted through the cytoplasmic membrane via the Sec pathway, the ATP-dependent motor protein SecA is required for translocation. The translocation process of some proteins following the SRP pathway has also shown to be enhanced by the presence of SecA. The Sec and the SRP pathway share the heterotrimeric protein-conducting channel translocon complex composed of the SecYEG proteins. Based on the known characteristics of both pathways, the goal of this PhD project was to construct an efficient secretion system for recombinant proteins in Bacillus subtilis using an a-amylase as a reporter enzyme, which is secreted into the medium using the Sec pathway. Its gene amyQ was fused to an IPTG-inducible promoter. It turned out that increasing amounts of IPTG did not result in a concomitant increase of secreted a-amylase. Overproduction either formed aggregates within the cytoplasm or preproteins targeted to the translocon jammed the membrane. To release the accumulated protein within the cells two different experiments were carried out: i) a co-production and overexpression of SecA, and; ii) overexpression of an artificial secYEG operon. First, increased production of SecA showed significantly decrease in the total synthesis and secretion of a-amylase and did not reduce cytoplasmatic accumulation or membrane jamming. Second, the artificial operon enhanced expression of secY, secE and secG genes resulted in a higher amount of reporter enzyme secreted into the medium. Furthermore, two different experiments using the transposon mutagenesis strategy were carried out in order to screen for B. subtilis mutants able to increase secretion of α-amylase. Transposon mutagenesis was performed with the mariner-based transposon to inactivate gene(s) whose product might regulate directly or indirectly the secretion of α-amylase. No mutant strain presenting a higher secretion of α-amylase on indicator plates was found. In addition, I devised a modified transposon containing a xylose-expression cassette. To test the efficiency of the modified transposon, the promoter-less cat gene was used as a reporter gene and integrated into the B. subtilis chromosomal DNA. After transposon mutagenesis, mutants expressing the promoter-less cat gene were isolated. This result indicates that the modified transposon might lead to increased production of a gene in the presence of xylose and that this product might then enhance secretion of α-amylase to be detected on indicator plates. In the third part of my thesis, a terminator-test vector was constructed which should allow the identification of strong terminators acting as 5'-stabilizing element. This vector consists of an artificial bicistronic operon containing the two reporter genes bgaB and gfp allowing the insertion of the terminators between the two genes. Insertion of a terminator should lead to a reduction of the amount of GFP. The system was verified with the known sinIR transcriptional terminator. It turned out that the vector with the two reporter genes already exhibited instability in E. coli.
