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A model for sigma factor competition in bacterial cells

  • Bacteria respond to changing environmental conditions by switching the global pattern of expressed genes. In response to specific environmental stresses the cell activates several stress-specific molecules such as sigma factors. They reversibly bind the RNA polymerase to form the so-called holoenzyme and direct it towards the appropriate stress response genes. In exponentially growing E. coli cells, the majority of the transcriptional activity is carried out by the housekeeping sigma factor, while stress responses are often under the control of alternative sigma factors. Different sigma factors compete for binding to a limited pool of RNA polymerase (RNAP) core enzymes, providing a mechanism for cross talk between genes or gene classes via the sharing of expression machinery. To quantitatively analyze the contribution of sigma factor competition to global changes in gene expression, we develop a thermodynamic model that describes binding between sigma factors and core RNAP at equilibrium, transcription, non-specific binding to DNABacteria respond to changing environmental conditions by switching the global pattern of expressed genes. In response to specific environmental stresses the cell activates several stress-specific molecules such as sigma factors. They reversibly bind the RNA polymerase to form the so-called holoenzyme and direct it towards the appropriate stress response genes. In exponentially growing E. coli cells, the majority of the transcriptional activity is carried out by the housekeeping sigma factor, while stress responses are often under the control of alternative sigma factors. Different sigma factors compete for binding to a limited pool of RNA polymerase (RNAP) core enzymes, providing a mechanism for cross talk between genes or gene classes via the sharing of expression machinery. To quantitatively analyze the contribution of sigma factor competition to global changes in gene expression, we develop a thermodynamic model that describes binding between sigma factors and core RNAP at equilibrium, transcription, non-specific binding to DNA and the modulation of the availability of the molecular components. Association of housekeeping sigma factor to RNAP is generally favored by its abundance and higher binding affinity to the core. In order to promote transcription by alternative sigma subunits, the bacterial cell modulates the transcriptional efficiency in a reversible manner through several strategies such as anti-sigma factors, 6S RNA and generally any kind of transcriptional regulators (e.g. activators or inhibitors). By shifting the outcome of sigma factor competition for the core, these modulators bias the transcriptional program of the cell. The model is validated by comparison with in vitro competition experiments, with which excellent agreement is found. We observe that transcription is affected via the modulation of the concentrations of the different types of holoenzymes, so saturated promoters are only weakly affected by sigma factor competition. However, in case of overlapping promoters or promoters recognized by two types of sigma factors, we find that even saturated promoters are strongly affected. Active transcription effectively lowers the affinity between the sigma factor driving it and the core RNAP, resulting in complex cross talk effects and raising the question of how their in vitro measure is relevant in the cell. We also estimate that sigma factor competition is not strongly affected by non-specific binding of core RNAPs, sigma factors, and holoenzymes to DNA. Finally, we analyze the role of increased core RNAP availability upon the shut-down of ribosomal RNA transcription during stringent response. We find that passive up-regulation of alternative sigma-dependent transcription is not only possible, but also displays hypersensitivity based on the sigma factor competition. Our theoretical analysis thus provides support for a significant role of passive control during that global switch of the gene expression program and gives new insights into RNAP partitioning in the cell.show moreshow less
  • Bakterien reagieren auf Aenderungen in ihren Umgebungsbedingungen indem sie global das Genexpressionsprogramm umschalten. Die Zelle aktiviert, als spezifische Reaktion auf Stressbedingungen, mehrere charakteristische Molekuele wie zum Beispiel die Sigmafaktoren. Diese binden reversibel an die RNA Polymerase (RNAP), mit der sie einen Komplex bilden das sogenannte Holoenzym und steuern sie als Reaktion auf den Stress zu den entsprechenden Genen. In exponentiell wachsenden E. Coli Zellen wird das Meiste der Transkription von einem sogenannten Haushaltssigmafaktor organisiert. Wohingegen Stressreaktionen haeufig von alternativen Sigmafaktoren kontrolliert werden. Die verschiedenen Sigmafaktoren konkurrieren um einen begrenzten Pool von RNAP Coreenzymen, womit die Expression einzelner Gene oder Genklassen beeinflusst wird, da sie sich die Maschienerie teilen. Um den Beitrag der Sigmafaktorkonkurrenz an der gesamten Veraenderung der Genexpression quantitativ zu analysieren, haben wir ein theoretisches Modell entwickelt, welches das BindenBakterien reagieren auf Aenderungen in ihren Umgebungsbedingungen indem sie global das Genexpressionsprogramm umschalten. Die Zelle aktiviert, als spezifische Reaktion auf Stressbedingungen, mehrere charakteristische Molekuele wie zum Beispiel die Sigmafaktoren. Diese binden reversibel an die RNA Polymerase (RNAP), mit der sie einen Komplex bilden das sogenannte Holoenzym und steuern sie als Reaktion auf den Stress zu den entsprechenden Genen. In exponentiell wachsenden E. Coli Zellen wird das Meiste der Transkription von einem sogenannten Haushaltssigmafaktor organisiert. Wohingegen Stressreaktionen haeufig von alternativen Sigmafaktoren kontrolliert werden. Die verschiedenen Sigmafaktoren konkurrieren um einen begrenzten Pool von RNAP Coreenzymen, womit die Expression einzelner Gene oder Genklassen beeinflusst wird, da sie sich die Maschienerie teilen. Um den Beitrag der Sigmafaktorkonkurrenz an der gesamten Veraenderung der Genexpression quantitativ zu analysieren, haben wir ein theoretisches Modell entwickelt, welches das Binden von Sigmafaktoren mit RNAP Coreenzymen im gleichgewicht, die Transkription, das nichtspezifische Binden an die DNA sowie die Modulation verfuegbarer molekularer Komponenten beschreibt. Normalerweise wird die Assoziation des Haushaltssigmafaktors mit dem RNAP Coreenzym beguenstigt durch dessen grosse Anzahl und die hohe Bindungsaffinitaet. Daher nutzen bakterielle Zellen verschiedene, reversibele Strategien um die Transkription durch alternative Holoenzyme zu foerdern. Dazu gehoeren Anti-Sigmafaktoren, 6S RNA und generell beliebige Transkriptionsregulatoren (z.B.: Aktivatoren oder Repressoren). Sie beeinflussen das Transkriptionsprogramm der Zelle indem sie das Resultat der Sigmafaktorkonkurrenz um die RNAP Coreenzyme zugunsten eines der Sigmafaktoren verschieben. Das Modell kann validiert werden durch Vergleiche mit in vitro Konkurrenzexperimenten, die exzellente uebereinstimmung zeigen. Wir koennen feststellen, dass die Transkription durch Konzentrationsaenderungen der verschiedenen Holoenzyme beeinflusst wird, daher ist der Effekt der Sigmafaktorkonkurrenz klein bei saturierten Promotoren. Was sich jedoch aendert bei sich ueberlappenden Promotoren oder Promotoren, die von zwei verschiedenen Sigmafaktoren erkannt werden. In diesen Faellen sehen wir einen grossen Effekt. Transkription fuehrt zu effektiv abgesekten Affinitaet zwischen den zugehoerigen Sigmafaktoren und den RNAP Coreenzymen, was zu komplizierten Verhalten fuehrt und die Frage aufwirft, inwieweit in vitro gemessenen Effekte in der Zelle wiederzufinden sind. Wir koennen den Einfluss nichtspezifischen Bindens der RNAPs, der Sigmafaktoren und der Holoenzyme an die DNA abschaetzen. Als letztes analysieren wir die Konkurrenz waehrend der "Stringent Response". Hierbei wird die Transkription der ribosomalen RNA unterbrochen was die Anzahl der freien RNAP Coreenzyme stark erhoeht. Wir sehen, dass das passive Hochregeln des alternativen sigmafaktorabhaengigen Transkriptionsprogramms durch Sigmafaktorkokurrenz moeglich und sogar hypersensitiv ist. Unsere theoretische Analyse zeigt, dass die passive Kontrolle in diesem Fall eine signifikante Rolle im globalen umschalten des Transkriptionsprogramms spielt und liefert neue Erkenntnisse zur RNAP Partitionierung in der Zelle.show moreshow less

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Metadaten
Author:Marco Mauri
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-72098
Title Additional (German):Ein Modell für die Konkurrenz zwischen Sigmafaktoren in Bakterienzellen
Advisor:Stefan Klumpp
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2014
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2014/06/12
Release Date:2015/02/19
Tag:Biophysik; Genregulation; Stressantwort; Systembiologie
biophysics; gene regulation; stress response; systems biology
Page Number:167
RVK - Regensburg Classification:WG 1920
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik
PACS Classification:80.00.00 INTERDISCIPLINARY PHYSICS AND RELATED AREAS OF SCIENCE AND TECHNOLOGY / 87.00.00 Biological and medical physics
Licence (German):License LogoCreative Commons - Namensnennung, 4.0 International