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Cellular Organization and Regulation in Bacteria by ParABS Systems

English title Cellular Organization and Regulation in Bacteria by ParABS Systems
Applicant Gruber Stephan
Number 197770
Funding scheme Project funding
Research institution Département de Microbiologie Fondamentale Faculté de Biologie et de Médecine Université de Lausanne
Institution of higher education University of Lausanne - LA
Main discipline Experimental Microbiology
Start/End 01.01.2021 - 31.12.2024
Approved amount 920'000.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Experimental Microbiology
Biochemistry

Keywords (5)

chromosome segregation; DNA replication; bacterial cell biology; cell cycle; cell division

Lay Summary (German)

Lead
Bakterien vermehren sich durch Zellteilung. Um die Grösse der bakteriellen Zelle und deren Aufbau über viele Generationen zu erhalten, muss die Zellteilung streng reguliert und an das Zellwachstum gekoppelt werden. Wie diese elementaren Prozesse in der Zelle miteinander verbunden sind, ist nicht hinreichend bekannt.
Lay summary

Die Zellwand und das Chromosom sind kritische Bestandteile der Zelle, die bei jeder Zellteilung erhalten werden müssen. Die Zellwand verleiht der bakteriellen Zelle die charakterischtische Form. Das Chromosom ist der Träger der genetischen Information. Es wird durch DNA-Replikation verdoppelt und im Segregationsprozess auf die Tochterzellen aufgeteilt. Sowohl die relevanten molekularen Prozesse als auch deren Regulation sind massgeblich vom dreiteiligen ParABS-System bestimmt. Die Funktionsweise von ParABS ist allerdings nur teilweise verstanden.

Die Entdeckung einer neuartigen enzymatischen Aktivität—die Hydrolyse des zellulären Bausteins CTP—durch das ParB-Protein eröffnet neue Ansätzepunkte für das Studium der zellulären Bedeutung von ParABS. Das Projekt zielt darauf ab, die Funktion des ParB-Enzyms und die zeitliche und mechanistische Kopplung mit zellulären Prozessen zu studieren. Als ersten Schritt werden dazu molekulare Sensoren entwickelt mit deren Hilfe man den Ablauf der Reaktion des ParB-Enzyms in der Zelle direkt verfolgen und manipulieren kann. Weiters werden Mutationen im ParB-Gen generiert um die Enzymreaktion an bestimmten Schritten kontrolliert zu inhibieren. In einer zweiten Phase sollen dann die Auswirkungen auf die zelluläre Physiologie und inbesonders auf ausgewählte Prozesse der DNA-Replikation und Chromosomen-Segregation erhoben werden. Unsere Untersuchungen werden dazu beitragen, die Bedeutung und Funktionsweise der hochkonservierten ParABS-Systeme besser zu verstehen.

Das Projekt befasst sich mit Grundlagenforschung. Die Zellteilung ist einer der elementarsten Prozesse in der Biologie mit weitreichenden Konsequenzen auch auf klinisch-relevanten Mikroorganismen. Ein verbessertes Verständnis könnte darüber hinaus neue Ansatzpunkte für die Entwicklung von antibakteriellen Substanzen liefern und wichtige Einblicke in die Entstehung und Verbreitung von Antibiotikaresistenzen bringen.

Direct link to Lay Summary Last update: 28.09.2020

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Abstract

Survival and propagation of living cells depend on the faithful execution of key cell cycle events such as DNA replication, chromosome segregation and cell division. The spatial and temporal control of these events, as well as their coordination with cell growth, are crucial to maintain cell architecture and size over multiple generations. How bacterial cells achieve this coordination is still poorly understood. ParABS systems-found on nearly all bacterial chromosomes-are key chromosome organizers and important regulators of cell physiology. Mutations in ParABS lead to pleiotropic defects in various bacterial species. The recent discovery of the ParB CTPase has the potential to develop into a game changer. The new finding serves as a starting point for investigating hitherto poorly understood roles of ParB and ParABS in cellular regulation, possibly sensing the metabolic state of the cell and nutrient availability. Here, we plan to probe the wider significance of this discovery for bacterial cell biology. The proposed work first aims to elucidate the inner workings of the ParB CTP hydrolysis cycle, which will build a solid foundation for subsequent projects. The newly discovered activity raises exciting questions concerning the mechanism and regulation of ParABS systems and its interplay with Smc. The second aim of the proposed work is thus to reveal implications for the organization and segregation of bacterial chromosomes. Ultimately, this will lead to a much better understanding of cell homeostasis by revealing how ParABS systems interconnect with an array of other important cellular processes and cellular metabolism. Finally, to discriminate evolutionarily conserved and basic features from more specialized regulatory elements, we will in parallel investigate ParB paralogues outside chromosome segregation, including the VirB virulence regulator in Shigella flexneri. Novel experimental approaches are needed to pinpoint nucleotide states of ParB in living cells and changes in response to other cellular processes and nutrient availability. We thus propose to apply classical genetics, biochemistry, imaging and next-generation sequencing approaches (ChIP-Seq, 3C-Seq) in combination with the development of state-of-the-art research tools for the detection and visualization of protein conformations in living cells. The bacterium B. subtilis-a simple and tractable model system-is ideally suited to support these projects, since ParABS mutations are generally well tolerated in wild-type strains but not in sensitized backgrounds.Insights from this research have the potential to mark a major step forward in our understanding of the bacterial cell cycle. In addition to the scientific impact, the knowledge may lead to new ways for targeting bacterial pathogens including S. flexneri and help in the design of innovative antimicrobials.
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