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Responses of the hyperthermophilic archaeon Sulfolobus solfataricus to UV-light

Fröls, Sabrina :
Responses of the hyperthermophilic archaeon Sulfolobus solfataricus to UV-light.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2008)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Responses of the hyperthermophilic archaeon Sulfolobus solfataricus to UV-light
Language: English
Abstract:

In nature UV-light is the most DNA-damaging factor. Photoproducts, that are not removed, result e.g. in the inhibition of replication or can cause lethal mutations. Compared to Eukarya and Bacteria, the DNA-damage response mechanisms in Archaea are not well understood. In particular hyperthermophilic and acidophilic archaea might have to deal with an additional constant challenge to maintain their genomic stability due to their life in harsh environments. This makes them interesting objects to study DNA damage response mechanisms. In this study the transcriptional and cellular reactions of the hyperthermophilic archaeon Sulfolobus solfataricus and its UV-inducible virus (SSV1) to UV-light were investigated by applying a post-genomic approach. SSV1 showed a co-ordinately regulated transcriptional cycle from 0.5 h to 8.5 h after UVtreatment. By using a high-density DNA-microarray approach, the transcripts could be classified into three categories: immediate early (T-ind), early (T5, T6 and T9) and late transcripts (T3, T1/2, T4/7/8 and Tx). The latter were up-regulated upon the onset of viral genome replication. This tightly regulated transcriptional pattern of SSV1 has not been described before for any archaeal virus and is reminiscent of those of many bacteriophages and some eukaryotic viruses. Six host genes were exclusively regulated in an infected strain upon UV-treatment indicating specific virus-host interactions. Among these were genes encoding topoisomerase VI, which probably plays an essential role in the replication of SSV1. All 34 gene products of SSV1 were tested for protein-protein interactions in a yeast two-hybrid approach. Some of the eight observed interactions suggested new putative protein functions involved in the regulation or involved in the particle assembly of SSV1. S. solfataricus exhibited a complex transcriptional and cellular reaction to UV-light. The UV-dependent transcriptional reactions were investigated by a genome-wide DNAmicroarray analysis that extended over 10 time points of two strains. 55 UV-dependently regulated genes that clustered into three major groups were identified. These genes indicated an immediate arrest of replication (cdc6-2, cdc6-1) and a stop in the cell cycle (e.g. soj, ssh7), during the UV-dependent reaction from 1.5 h to 5 h after UV-treatment. In addition potential transcription factors (e.g. tfb-3) were identified, which might be involved in secondary UV-dependent reactions. The induction of an operon involved in homologous recombination (rad50/mre11) indicated the formation of DNA double-strand breaks (DSB). Consistent with this, DNA DSB were observed by pulse-field gel electrophoresis between 2 h and 8 h after UV-treatment, probably as a result of replication stops due to unrepaired photoproducts. Another, rather unexpected finding was the induction of an operon encoding a potential type II/type IV pili biogenesis system (sso0117 through sso0121) for secretion or pili formation. In support of this, a statistical microscopic analysis demonstrated that at least 50-70% of the cells formed aggregates, particularly between 6 h and 8 h after UV-exposure. In addition the study of a deletion mutant verified that the pili are encoded by the potential pili biogenesis operon and that they are essential for mediating the UV-dependent cellular aggregation. Aggregate formation was stimulated by chemically induced DSB in DNA, but not by other environmental stressors, indicating that this reaction is UV-specific. Furthermore, it was shown that UV-light strongly stimulated the conjugation activity of S. solfataricus (with a frequency of up to 10-2), whereas no conjugative activity was observed without UVirradiation. The data of this thesis open new opportunities towards an understanding of the complex mechanisms involved in DNA-repair after UV-damage in Archaea, and provide supporting evidence to a link between recombinational repair via cellular aggregation and subsequent conjugation as major response of S. solfataricus to UV-light damage.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In der Natur zählt das Sonnenlicht zu einem der schädlichsten Umweltfaktoren für DNA. Nicht reparierte Photoprodukte resultieren z.B. in einer Inhibition der Replikation, oder führen zu letalen Mutationen. Im Vergleich zu den Domänen der Eukarya und Bacteria sind die DNA-Reparaturmechanismen in der Domäne der Archaea noch weitgehend unverstanden. Insbesondere hyperthermophile und acidophile Archaea unterliegen aufgrund der extremen Habitatsbedingungen einer zusätzlichen Schädigung und sind permanent darauf angewiesen, ihre genomische Integrität aufrecht zu erhalten. Dies macht sie zu interessanten Objekten, um die durch DNA-Schäden induzierten Reaktionen zu studieren. In der vorliegenden Studie, wurden unter Anwendung eines post-genomischen Ansatzes die transkriptionellen und zellulären Reaktionen von Sulfolobus solfataricus sowie seinen durch UV-Licht induzierbaren Virus (SSV1) nach UV-Bestrahlung untersucht. SSV1 zeigte einen zeitlich koordinierten Transkriptionszyklus von 0,5 bis 8,5 Stunden nach der UV-Behandlung. Durch die Verwendung eines hochauflösenden DNA–Microarray Ansatzes konnte das Auftreten der einzelnen Transkripte in drei Kategorien unterteilt werden: unmittelbar früh (Tind), früh (T5, T6 und T9) sowie spät (T3, T1/2, T4/7/8 und Tx). Hierbei erfolgte die Induktion der späten Transkripte kurz vor dem Einsetzen der Replikation des Virusgenoms. Dieser hier identifizierte, zeitlich regulierte Transkriptionszyklus von SSV1, wurde bisher für keinen archaealen Virus beschrieben und ist vergleichbar mit Zyklen von Bakteriophagen und eukaryotischen Viren. Im Rahmen der Untersuchung der Virus-Wirts-Interaktion nach UV-Behandlung, konnten insgesamt sechs Gene identifiziert werden, welche ausschließlich in dem infizierten Stamm eine UV-abhängige Reaktion zeigten. Zu diesen zählten z.B. die für die Topoisomerase VI kodierenden Gene, welche möglicherweise eine essentielle Rolle in der Replikation von SSV1 spielt. Zusätzlich wurden die putativen Protein-Protein-Interaktionen aller 34 Genprodukte mit Hilfe eines Two-Hybrid Screens in Hefe untersucht. Einige der acht identifizierten Interaktionen geben Hinweise auf neue mögliche Proteinfunktionen, welche in die Regulation oder die Assemblierung der Viruspartikel involviert sind. S. solfataricus zeigte eine komplexe transkriptionelle und zelluläre Reaktion auf die UV-Bestrahlung. Die UV-abhängigen transkriptionellen Reaktionen wurden mit Hilfe einer Genom-weiten DNA-Miroarray Studie über 10 Zeitpunkte und mit zwei unterschiedlichen Stämmen untersucht. Insgesamt konnten 55 Gene identifiziert werden, welche sich in drei Haupt-Gengruppen unterteilen ließen. Sie wiesen u.a. auf einen unmittelbaren Arrest der Replikation (cdc6-2, cdc6-1) und einen Stopp des Zellzyklus (z.B. soj, ssh7) während der UV-abhängigen Reaktionen, zwischen 1,5 und 5 Stunden nach der UV-Behandlung hin. Zusätzlich wurden potenzielle Transkriptionsfaktoren (z.B. tfb-3) identifiziert, welche möglicherweise in sekundäre UV-abhängige Reaktionen involviert sind. Die Induktion eines Operons (rad50/mre11), das in homologe Rekombination involviert ist, deutete auf das Vorliegen von DNA Doppelstrangbrüchen (DSB) hin. Übereinstimmend mit dieser Beobachtung konnte das Vorliegen von DNA DSB, welche wahrscheinlich aus einem Stopp der Replikation an nicht reparierten Photoprodukten resultierten, zwischen zwei und acht Stunden nach UV-Behandlung, mit Hilfe einer Pulsfeldgelelektrophorese nachgewiesen werden. Eine andere unerwartete Beobachtung war die Induktion eines Operons dessen Gene (sso0117 bis sso0121) für ein putatives Typ II/IV Pili Biogenese Systems zur Sekretion oder Pili Bildung kodieren. Gleichzeitig zeigte eine statistische mikroskopische Analyse, dass zwischen sechs und acht Stunden nach der UV-Behandlung 50-70 % der Zellen in Aggregaten vorlagen. Anschließend konnte unter Verwendung einer Deletionsmutante gezeigt werden, dass das induzierte putative Pili Operon für die Pili Bildung verantwortlich ist und dass die gebildeten Pili für die zelluläre Aggregation essenziell sind. Die Bildung von zellulären Aggregaten konnte neben UV-Licht nur durch chemisch hervorgerufene DSB in der DNA induziert werden. Die Beobachtung, dass keine weiteren Umweltfaktoren diesen Phänotyp induzieren konnten, bestätigte, dass es sich um eine UV-spezifische Reaktion handelte. Desweiteren konnte gezeigt werden, dass die Behandlung mit UV-Licht das Auftreten von Konjugationsereignissen bei S. solfataricus stark stimulierte (mit einer Frequenz von 10-2 Ereignissen pro Zelle). Dagegen wurden keine Konjugationsereignisse ohne die Behandlung mit UV-Licht beobachtet. Die Daten dieser vorliegenden Promotionsarbeit eröffnen neue Möglichkeiten, um die komplexen Mechanismen der DNA-Reparatur der Archaea nach einer UV-Schädigung zu verstehen. Die Daten geben erstmals Hinweise darauf, dass ein kausaler Zusammenhang zwischen der DNA-Reparatur mittels Rekombination, einer zellulären Aggregation und Konjugation besteht, welche als die drei Hauptreaktionen von S. solfataricus auf UV-Licht verursachte DNA-Schäden identifiziert wurden.German
Uncontrolled Keywords: Archaea, Sulfolobus, SSV1, UV-light, DNA-damage, cellular aggregation
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Archaea, Sulfolobus, SSV1, UV-light, DNA-damage, cellular aggregationEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
Divisions: Biology
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:23
Last Modified: 07 Dec 2012 11:54
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-11439
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Schleper, Prof. Dr. Christa and Pfeifer, Prof. Dr. Felicitas and Kletzin, Dr. habil. Arnulf
Refereed: 17 June 2008
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/1143
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