ABSTRACT
This work allowed to characterize the regulation of the tarA gene, participating in the biosynthesis of the major teichoic acid (TA), as well as several aspects concerning the role and regulation of the extracytoplasmic function (ECF) sigma factor σM in Bacillus subitlis W23.
In B. subtilis, cell wall contains two essential polymers, peptidoglycan and TA. B. subtilis strains 168 and W23 are endowed with a chemically different major TA, I. e. poly(glycerol-phosphate) or poly(ribitol-phosphate), respectively. The tar (teichoic acid ribitol) genes specifying the biosynthesis of the major TA in B. subtilis W23 are organized as two divergently transcribed operons tarDF and tarABIJKL, the latter being controlled by two promoters designated P tarA-ext. Analysis of promoter activities and gene expression during batch culture in rich medium and under phosphate limitation allowed to identify several factors involved in tarA regulation: (i) The P tarA-int promoter directs two expression increases at the beginning and the end of the transition between exponential and stationary growth phase. These were shown to be caused by the successive action of two ECF σ factors, σX and σM. (ii) The PtarA-ext promoter is repressed under phosphate starvation by the PhoPR two-component system, whereas the P tarA-int promoter is upregulated by the action of σM under the same conditions. (iii) tarA expression is increased in a conditioned medium suggesting the participation of cell density signals in tar gene regulation.
Investigation of the role and regulation of σM showed its importance in batch culture growth as well as in cell wall stress response. Besides their role in TA biosynthesis, σM and σX are involved in cell division, controlling among others expression of an essential division initiation protein, DivIC. Concomitant inactivation of σX and σM leads to delays in chromosome segregation and septation as well as to an impairment of septal cell wall, as revealed by electron microscopy. Furthermore, like other division related genes, sigM expression was demonstrated to be inversely proportional to growth rate.
In the absence of the appropriate stimulus, ECF σ factors are generally sequestered by a transmembrane anti-σ factor. Once the stimulus detected, the σ factor is released and modulates the transcription of the genes belonging to its regulon. As suggested by the effects of their overexpression, the products of the two genes downstream of sigM, yhdL and yhdK, seem to work together to negatively regulate σM.
σM activity in strains 168 and W23 is fundamentally different, possibly due to differences in cell wall composition. In contrast to strain 168, σM is activated in strain W23 in phosphate-depleted conditions, a phenomenon indirectly dependent on PhoPR, the two-component system responsible for the adaptation to phosphate starvation. Moreover, in strain 168, σM activity remains low in rich medium, but in W23 it is sharply induced upon entry into stationary phase.
In accordance with the current knowledge we propose that σM responds to global changes in cell wall structure as a result of diverse stresses or batch culture growth phase transitions. A model of σM activation and function in B. subtilis W23 is discussed.
In the absence of the appropriate stimulus, ECF σ factors are generally sequestered by a transmembrane anti-σ factor. Once the stimulus detected, the σ factor is released and modulates the transcription of the genes belonging to its regulon. As suggested by the effects of their overexpression, the products of the two genes downstream of sigM, yhdL and yhdK, seem to work together to negatively regulate σM.
σM activity in strains 168 and W23 is fundamentally different, possibly due to differences in cell wall composition. In contrast to strain 168, σM is activated in strain W23 in phosphate-depleted conditions, a phenomenon indirectly dependent on PhoPR, the two-component system responsible for the adaptation to phosphate starvation. Moreover, in strain 168, σM activity remains low in rich medium, but in W23 it is sharply induced upon entry into stationary phase.
In accordance with the current knowledge we propose that σM responds to global changes in cell wall structure as a result of diverse stresses or batch culture growth phase transitions. A model of σM activation and function in B. subtilis W23 is discussed.
RESUME
Dans ce travail, la régulation du gène tarA, impliqué dans la biosynthèse de l'acide téichoïque (AT) majeur de Bacillus subtilis W23, et le rôle du facteur σ ECF ('ExtraCytoplasmic Function') σM chez cette même bactérie ont été étudiés.
Chez B. subtilis, deux types d'AT majeur ont été identifiés jusqu'à maintenant. La chaîne principale caractéristique des souches 168 et W23 contient respectivement soit du glycérol-phosphate, soit du ribitol-phosphate. Chez B. subtils W23, les gènes codant pour l'AT majeur sont appelés tar ('teichoic acid ribitol’), et organisés en deux opérons divergents, tarDF et tarABIJKL. Le second est contrôlé par les deux promoteurs P tarA-int et. P tarA ext. L'analyse de l'activité de ces promoteurs et de l'expression de gènes tar pendant la croissance en milieu riche et en limitation de phosphate a permis d'identifier plusieurs régulateurs: (i) Le promoteur PtarA-int est responsable de deux augmentations d'expression de tarA qui ont lieu au début et à la fin de la transition entre croissance exponentielle et phase stationnaire. Ces deux accélérations sont causées par l'action successive de deux facteurs σ ECF, σX et σM. (ii) Le promoteur P- tarA-ext est réprimé en carence de phosphate par le système de régulation à deux composantes PhoPR. Dans les mêmes conditions, le promoteur P tarA-int est activé par σM. (iii) L'expression de tarA est augmentée dans un milieu conditionné ce qui suggère qu'une phéromone participe à la régulation de la biosynthèse des acides téichoïques chez B. subtils W23.
L'étude plus approfondie du rôle de σM dans B. subtilis W23 a montré que ce facteur σ est important dans la croissance normale et dans la réponse au stress. En plus de leur rôle dans la synthèse des AT, σM et σX jouent un rôle dans la division cellulaire, un autre processus essentiel. Les conséquences de l'inactivation simultanée de σM et σX, révélées par microscopie électronique, sont un ralentissement de la segrégation des chromosomes et de la septation ainsi qu'un affaiblissement de la paroi au niveau du septum. De plus, l'expression du gène codant pour DivIC, une protéine essentielle pour l'initiation de la division cellulaire, est contrôlée par σX et σM. Finalement, l'expression de sigM est inversement corrélée à la vitesse de croissance, ce qui a été observé pour d'autres gènes impliqués dans la division.
En l'absence de stimulation, les facteurs σ ECF sont généralement sequestrés par un facteur anti-σ- transmembranaire; une fois le stimulus détecté, ils sont relâchés pour pouvoir activer la transcription des gènes de leurs régulons. Les produits des gènes en aval de sigM, yhdL et yhdK, pourraient jouer le rôle d'anti-σ, parce que leur surexpression simultanée réprime l'expression de sigM.
Dans B. subtilis W23, σM est activé par un manque de phosphate et cette réponse dépend indirectement du système à deux composantes responsable de l'adaptation au stress de phosphate, PhoPR. Ceci n'est pas observé concernant la souche 168, où σM est régulé d'une autre manière même en milieu riche. L'induction de σM en phase stationnaire, caractéristique de la souche W23 mais absente dans 168, semble dépendre de la composition de la paroi cellulaire.
En conclusion, on propose que σM est activé par les restructurations de la paroi causées par du stress extracellulaire ou par les transitions entre les phases de croissance. Un modèle de fonctionnement de σM est discuté.