茎状出芽細菌におけるCtrA制御ネットワークの統合的かつ定量的な見解

Integrative and quantitative view of the CtrA regulatory network in a stalked budding bacterium.

• Oliver Leicht
• Muriel C F van Teeseling
• Gaël Panis
• Celine Reif
• Heiko Wendt
• Patrick H Viollier
• Martin Thanbichler

抄録

アルファプロテオバクテリアは、保存されたCtrA経路に支配された細胞周期依存性の発生パターンの顕著な多様性を示す。その中心成分であるCtrAは、DNA結合応答制御因子であり、複雑な2成分シグナルネットワークによって制御され、2つの子孫における異なる転写プログラムを媒介している。CtrAの経路は、細胞の発生状態を読み取る上流部と、上流のシグナルを統合してCtrAのリン酸化を媒介する下流部から構成されていることが、集中的に研究されてきました。しかし、この回路が細菌の多様化にどのような役割を果たしているのかについては、まだ十分には解明されていない。そこで我々は、形態的に複雑な茎状出芽菌であるアルファプロテオバクテリウム（Hyphomonas neptunium）におけるCtrAの制御機構を調べた。H. neptunium は二分裂した近縁種と比較して、様々なパスウェイコンポーネントの役割と制御に明確な変化を示した。最も注目すべきは、CtrA経路の上流部と下流部を通常連結している応答調節因子DivKが不要である一方で、下流部の構成要素であるシュードキナーゼDivL、ヒスチジンキナーゼCckA、リン酸化トランスフェラーゼChpT、CtrAが必須であることである。さらに、CckAは異なる極性の複合体を形成することなく初期芽にコンパートメント化されており、CtrAはタンパク質の豊富さのレベルでは制御されていない。その結果、CtrAの下流経路が複製開始、細胞分裂、運動性などの重要な機能を制御していることを明らかにした。その結果、CtrA経路は漏れのないパイプラインであり、これまでに明らかにされていない因子が関与していることが明らかになった。以上のことから、H. neptuniumにおけるCtrA制御の定量的システムレベルでの解析は、アルファプロテオバクテリアにおける細胞周期制御のかなりの進化的可塑性を示唆しており、Caulobacter crescentusのような確立されたモデル生物にも当てはまる可能性があるという仮説を導くものである。

The Alphaproteobacteria show a remarkable diversity of cell cycle-dependent developmental patterns, which are governed by the conserved CtrA pathway. Its central component CtrA is a DNA-binding response regulator that is controlled by a complex two-component signaling network, mediating distinct transcriptional programs in the two offspring. The CtrA pathway has been studied intensively and was shown to consist of an upstream part that reads out the developmental state of the cell and a downstream part that integrates the upstream signals and mediates CtrA phosphorylation. However, the role of this circuitry in bacterial diversification remains incompletely understood. We have therefore investigated CtrA regulation in the morphologically complex stalked budding alphaproteobacterium Hyphomonas neptunium. Compared to relatives dividing by binary fission, H. neptunium shows distinct changes in the role and regulation of various pathway components. Most notably, the response regulator DivK, which normally links the upstream and downstream parts of the CtrA pathway, is dispensable, while downstream components such as the pseudokinase DivL, the histidine kinase CckA, the phosphotransferase ChpT and CtrA are essential. Moreover, CckA is compartmentalized to the nascent bud without forming distinct polar complexes and CtrA is not regulated at the level of protein abundance. We show that the downstream pathway controls critical functions such as replication initiation, cell division and motility. Quantification of the signal flow through different nodes of the regulatory cascade revealed that the CtrA pathway is a leaky pipeline and must involve thus-far unidentified factors. Collectively, the quantitative system-level analysis of CtrA regulation in H. neptunium points to a considerable evolutionary plasticity of cell cycle regulation in alphaproteobacteria and leads to hypotheses that may also hold in well-established model organisms such as Caulobacter crescentus.