Molecular scar tissue as potential incentive for epigenetic differentiation and memory in clonal bacterial populations

Promovendus/a: Julien Mortier

Promotor(en): Prof. dr. ir. Abram Aertsen

Bacteriën delen meestal symmetrisch in genetisch identieke en morfologisch niet-te-onderscheiden dochtercellen. Het wordt echter duidelijker dat deze verwanten hun eigen fenotypisch gedrag vertonen los van omgevingscondities, wat leidt tot de ontwikkeling van complex sociaal gedrag in bacteriepopulaties. Dit fenomeen wordt fenotypische heterogeniteit genoemd en de mogelijkse onderliggende mechanismen zijn nog niet volledig duidelijk. In dit proefschrift gaan we in op recente observaties van onze onderzoeksgroep die aangetoond hebben dat proteïne-aggregaten een invloed kunnen uitoefenen op het gedrag van individuele cellen. Proteïne-aggregaten kunnen gevormd worden na blootstelling aan bepaalde stressen en kunnen op die manier moleculaire geheugenelementen zijn die blijven bestaan nadat de initiële stress weggeëbt is.

In een eerste deel stellen we een vernieuwende high-throughput methode voor die toelaat te screenen voor promotorexpressie op het niveau van individuele cellen in het Gram-positief modelorganisme Bacillus subtilis. Met deze methode hebben we verschillende genen gevonden waarvan eerder niet geweten was dat ze heterogeen tot expressie komen. We hebben ook een modelsysteem ontworpen dat toelaat de fenotypische impact van proteïne-aggregaten in dit organisme te onderzoeken. Op die manier vonden we een opvallende weerbaarheid van het sporulatie- en germinatieproces tegen verstoringen door deze moleculaire structuren.

In een ander deel onderzochten we hoe proteïne-aggregaten in Escherichia coli verantwoordelijk zijn voor een toegenomen resistentie tegen hitte, peroxide en het antibioticum streptomycine, zowel op vlak van toegenomen overleving als een verkorte resuscitatietijd, maar niet tegen DNA stress. Deze resultaten benadrukken dus verder hoe proteïne-aggregaten zich kunnen gedragen als geheugenelementen die verantwoordelijk zijn voor fenotypische heterogeniteit in gestreste klonale populaties.

Ten slotte, aan de hand van evolutie-experimenten in E. coli ontdekten we een nieuwe evolutionaire route waarmee bacteriën hun weerbaarheid tegen hittestress kunnen regelen. Specifiek toonden we aan dat schijnbaar willekeurige mutaties in het tnaA gen kunnen zorgen voor een significante toename in hitteresistentie doordat deze mutaties misvouwing van het TnaA-proteïne veroorzaken. Algemeen suggereren deze bevindingen dat mutaties die de proteïnevouwing en -functionaliteit verstoren wel nog steeds een selectief voordeel kunnen veroorzaken.