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The generality, mechanism, and function of bet-hedging in bacteria

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Mechanismen bakterieller Anpassung und Evolution

Bet-Hedging ist eine Anpassungsreaktion lebender Organismen an Veränderungen in der Umwelt und sichert ihr Überleben. Analysen des Bet-Hedging sollen nun neue Einblicke in die Evolution von Bakterien in sich ständig verändernder Umgebung geben.

Grundlagenforschung
Gesundheit

Im genetischen Regelkreis von Bakterien verändert sich die Konzentration regulatorischer Proteine, sodass eine zelluläre Subpopulation übergangsweise antibiotikaresistent wird und damit bessere Überlebenschancen hat. Dieses so genannte Bet-Hedging sorgt dafür, dass nicht alle Zellen im gleichen Transkriptionszustand existieren und eine Bakterienkolonie bei Umweltveränderungen überleben kann. Forschungen zum Bet-Hedging sind von großer medizinischer Bedeutung. Wie sich Infektionskrankheiten ausbreiten, hängt mitunter von der Aktivierung alternativer genetischer Programme in den Bakterien ab, etwa Kompetenz, allgemeine Stressreaktion und antibiotische Persistenz. Das EU-finanzierte Projekt BET-HEDGING BACTERIA untersuchte, mit welchen Mechanismen Bakterienzellen ihren Transkriptionszustand verändern. Hierfür beobachteten die Forscher bei sieben alternativen Sigma-Faktoren (bakterielle Proteine, die die Transkription initiieren) das stochastische Pulsverhalten unter Energiestress. Erste Ergebnisse zeigten unter Stress eine äußerst variable Pulsdynamik der Sigma-Faktoren. Insbesondere bei sigV führte Lysozymstress zu einer bimodalen Aktivierung. Am vereinfachten mathematischen Modell der sigV-Aktivierung kann erklärt werden, dass die bimodale sigV-Aktivität unter Lysozym-Stress im Vergleich mit sigB auf eine unterschiedliche Regulierung beim frequenzmodulierten Pulsieren zurückgeht. Unter Stress wird der Anti-Sigma-V-Faktor abgebaut, der Anti-Sigma-Faktor von sigB hingegen eingelagert. Mathematische Modelle legen diese unterschiedliche Regulierung als Grund für die bimodale SigV-Aktivität nahe. Ein weiterer Schwerpunkt neben den ursprünglichen Projektzielen war die heterogene Aktivierung von Sigma-Faktoren in Bacillus-Biofilmen. Bacillus subtilis bildet Biofilme, die die Forscher nun auf mögliche heterogene Expressionsmuster untersuchten. Dabei stellte sich heraus, dass sigB in Biofilmen heterogen exprimiert wird und die Einzelzell-SigB-Aktivität ähnlich war wie in Flüssigkulturen und auf Agaroseplatten. Ein interessantes Ergebnis war dabei die verstärkte sigB-Expression an der Oberfläche des Biofilms. Das Projekt erweiterte damit wesentlich den Kenntnisstand darüber, wie heterogene Transkriptionszustände bakterielles Überleben unter Stress sichern, was langfristig von enormer medizinischer Bedeutung sein dürfte.

Schlüsselbegriffe

Bet-Hedging, bakterielle Gen-Schalter, antibiotische Persistenz, BET-HEDGING BACTERIA, Sigma-Faktoren

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