Mechanisms of translational regulation in bacteria

Abstract

Diese Arbeit untersucht den Zusammenhang zwischen Mechanismen der translationalen Regulation und der Genomorganisation in Bakterien. Der erste Teil der Arbeit analysiert die Beziehung zwischen der Translationseffizienz von Genen und der Häufigkeit bestimmter Codons am Genanfang. Es ist bekannt, dass die Häufigkeitsverteilung der Codons am Anfang der Gene bei einigen Organismen eine andere ist als sonst im Genom. Durch die systematische Analyse von ungefähr 400 bakteriellen Genomen, evolutionären Simulationen und experimentellen Untersuchungen sind wir zu dem Schluss gekommen, dass die beobachtete Abweichung der Codonhäufigkeiten wohl eine Konsequenz der Notwendigkeit ist, RNA Sekundärstruktur in der Nähe des Translationsstarts zu vermeiden und somit eine effiziente Initiation der Translation zu gewährleisten. Im zweiten Teil der Arbeit untersuchen wir den Einfluss der Genreihenfolge innerhalb eines Operons auf die Fitness von E. coli. In bakteriellen Genomen vereint ein Operon funktionell zusammengehörige Gene, die in einer mRNA zusammen transkribiert werden und somit in der Expression stark korreliert sind. Daneben kann die translationale Kopplung, d. h. die Interdependenz der Translationseffizienz zwischen benachbarten Genen innerhalb einer solchen mRNA, eine bestimmte Proteinstöchiometrie weiter stabilisieren. Mithilfe eines Modells für die translationale Kopplung sowie für den Chemotaxis Signalweg konnten wir zeigen, dass die native Genreihenfolge eine der Permutationen ist, die am meisten zur Robustheit der Chemotaxis beitragen. Die translationale Kopplung ist daher ein wichtiger Faktor, der die Anordnung der Gene innerhalb des Chemotaxis Operon bestimmt. Diese Arbeit zeigt, dass die Anforderungen einer effizienten Genexpression sowie die Robustheit wichtiger zellulärer Funktionen einen Einfluss auf die Organisation eines Genoms haben können: einerseits bei der Wahl der Codons am Anfang der Gene, andererseits auf die Ordnung der Gene innerhalb eines Operons.

This work investigates the relationship between mechanisms of translational regulation and genome organization in bacteria. The first part analyzes the connection between translational efficiency and codon usage at the beginning of genes. It is known for some organisms that usage of synonymous codons at the gene start deviates from the codon usage elsewhere in the genome. By analyzing about 400 bacterial genomes, evolutionary simulations and experimental investigations, we conclude that the observed deviation of codon usage at the beginning of genes is most likely a consequence of the need to suppress mRNA structure around the ribosome binding site, thereby allowing efficient initiation of translation. We investigate further driving forces for genome organization by studying the impact of gene order within an operon on the fitness of bacterial cells. Operons group functionally related genes which are transcribed together as single mRNAs in E. coli and other bacteria. Correlation of protein levels is thus to a large extent attributed to this coupling on the transcriptional level. In addition, translational coupling, i.e. the interdependence of translational efficiency between neighboring genes within such a mRNA, can stabilize a desired stoichiometry between proteins. Here, we study the role of translational coupling in robustness of E. coli chemotaxis. By employing a model of translational coupling and simulating the underlying signal transduction network we show that the native gene order ranks among the permutations contributing most to robustness of chemotaxis. We therefore conclude that translational coupling is an important determinant of the gene order within the chemotaxis operon. Both these findings show that requirements for efficient gene expression and robustness of cellular function have a pronounced impact on the genomic organization, influencing the local codon usage at the beginning of genes and the order of genes within operons.