Funktionelle Charakterisierung der Zellwandproteine AmiC2 und SepJN und ihre Bedeutung für die Vielzelligkeit des filamentösen Cyanobakteriums Nostoc punctiforme ATCC 29133

Abstract

Nostoc punctiforme ATCC 29133 ist ein multizelluläres Cyanobakterium, welches photoautotroph in Filamenten aus mehreren hundert Zellen wächst, die über eine kontinuierliche äußere Membran und einen Mureinsacculus miteinander verbunden sind. Nach der Zellteilung werden die Zellen nicht wie bei einzelligen Bakterien voneinander getrennt, sondern bleiben als kommunizierende Einheit miteinander verbunden. Der Informationsaustausch unter den Zellen ermöglicht dem Filament schnell auf Änderungen der Umwelt zu reagieren und sich durch Zelldifferenzierung diesen anzupassen. Um eine schnelle und koordinierte Zelldifferenzierung zu gewährleisten, muss ein komplexes Kommunikationssystem existieren, welches die Zelldifferenzierung von einzelnen stickstofffixierenden Heterozysten, von kurzen beweglichen Filamenten, den Hormogonien, und von klimastabilen Akineten ermöglicht. Mit der Charakterisierung der Septum-lokalisierten Zellwand-Amidase AmiC2 in N. punctiforme ist es gelungen, einen Baustein zu identifizieren, welcher essentiell für die Ausbildung eines solchen Kommunikationssystems ist. Die Inaktivierung des amiC2 Gens in N. punctiforme führte zum Verlust der Zell-Zell-Kommunikation. Des Weiteren war die Mutante nicht zur Zelldifferenzierung befähigt. Stattdessen verharrten die Zellen in einem primordialen Stadium, in welchem keine langen Filamente, sondern Zellklumpen mit schrägen, asymmetrisch angelegten Septen gebildet wurden. Vergleichende elektronenmikroskopische Untersuchungen des Mureins von Wildtyp und Mutante offenbarten den Wirkort und die Wirkungsweise von AmiC2 am septalen Murein. Hierbei wurden erstmals Poren identifiziert, die als Traverse für mögliche Kommunikationsstrukturen dienlich sind. Zudem konnte festgestellt werden, dass AmiC2 essentiell an deren Bildung beteiligt ist. Im septalen Murein des WTs sind ca. 150 Poren mit einem Durchmesser von ~ 20 nm siebartig organisiert, welche in der amiC2-Mutante gänzlich fehlen. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass der interzelluläre Stoffaustausch über Septum-lokalisierte Kommunikationssysteme funktioniert, an deren transseptalen Orientierung AmiC2 grundlegend beteiligt ist. SepJ ist ebenfalls ein Septum-lokalisiertes Protein in N. punctiforme. Dessen Inaktivierung führt zu einer negativen Beeinflussung der Heterozysten-Differenzierung, wodurch das diazotrophe Wachstum gestört wird. Ebenso wird die Filamentintegrität durch die Bildung überdurchschnittlich vieler kurzkettiger Hormogonien negativ beeinflusst.

Nostoc punctiforme ATCC 29133 is a multicellular cyanobacterium that grows photoautotrophically in filaments of several hundred cells, which are connected by a continuous outer membrane and a murein sacculus. After cell division, the cells are not separated, they are connected in a communicating association. The cellular exchange allows a quick response and adaption to environmental changes by cell differentiation. To ensure a rapid and coordinated cell differentiation, a complex communication system must exist which allows the differentiation to nitrogen-fixing heterocysts, motile hormogonia, and climate resistant akinetes. By the characterization of the septum-localized cell wall amidase AmiC2 in N. punctiforme, an important element was identified, which is essential in formation of such a communication system. The inactivation of the gene amiC2 in N. punctiforme led to a loss of cell-cell communication. Furthermore, the mutant was unable to perform any cell differentiation. Instead, the cells remained in a primordial state with clustered cells and irregular septa. Electron microscopic studies of the murein of wild type and mutant revealed the target of AmiC2 at the septal murein. For the first time, pores were identified which probably represent the scaffold of a complex cell-cell communication machinery. Furthermore, it was shown that AmiC2 is essential in the formation of such pores. In the septal murein of the wild type, about 150 pores with a diameter of 20 nm represent a nanosieve, which is completely absent in the mutant amiC2. In this study, it was shown that AmiC2 is fundamentally involved in the intercellular exchange via a septum-localized communication machinery. SepJ is also a septum-localized protein in N. punctiforme. Its inactivation led to a negative influence on the differentiation to heterocysts, thereby the diazotrophic growth was disturbed. Likewise, the filament integrity showed a negative effect on the formation of short hormogonia.