Mining the genomes of actinomycetes [Elektronische Ressource] : identification of metabolic pathways and regulatory networks / vorgelegt von Johannes Amon

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Mining the genomes of actinomycetes: Identification of metabolic pathways and regulatory networks Der Naturwissenschaftlichen Fakultät der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg zur Erlangung des Doktorgrades Dr. rer. nat. vorgelegt von Johannes Amon aus Bamberg Vergleichende Genomanalyse von Actinomyceten: Identifikation von Stoffwechselwegen und regulatorischen Netzwerken Der Naturwissenschaftlichen Fakultät der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg zur Erlangung des Doktorgrades Dr. rer. nat. vorgelegt von Johannes Amon aus Bamberg Als Dissertation genehmigt von der Naturwissen- schaftlichen Fakultät der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Tag der mündlichen Prüfung: 1. April 2010 Vorsitzender der Promotionskommission: Prof. Dr. Eberhard Bänsch Erstberichterstatter: Prof. Dr. Andreas Burkovski Zweitberichterstatter: Priv.-Doz. Dr. Knut Jahreis Mein Eltern I may not have gone where I intended to go, but I think I have ended up where I needed to be. Douglas Adams, british humorist & science fiction novelist (1952 - 2001) Danksagungen Diese Arbeit wurde von Januar 2007 bis März 2010 in der Arbeitsgruppe Burkovski am Department für Mikrobiologie, Institut für Biologie der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg angefertigt.
Publié le : vendredi 1 janvier 2010
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Mining the genomes of actinomycetes:
Identification of metabolic pathways
and regulatory networks

Der Naturwissenschaftlichen Fakultät
der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
zur
Erlangung des Doktorgrades Dr. rer. nat.



vorgelegt von
Johannes Amon

aus Bamberg

Vergleichende Genomanalyse von
Actinomyceten:
Identifikation von Stoffwechselwegen
und regulatorischen Netzwerken

Der Naturwissenschaftlichen Fakultät
der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
zur
Erlangung des Doktorgrades Dr. rer. nat.



vorgelegt von
Johannes Amon

aus Bamberg




Als Dissertation genehmigt von der Naturwissen-
schaftlichen Fakultät der Friedrich-Alexander-Universität
Erlangen-Nürnberg






Tag der mündlichen Prüfung: 1. April 2010

Vorsitzender der
Promotionskommission: Prof. Dr. Eberhard Bänsch
Erstberichterstatter: Prof. Dr. Andreas Burkovski
Zweitberichterstatter: Priv.-Doz. Dr. Knut Jahreis



Mein Eltern






I may not have gone where I intended to go,
but I think I have ended up where I needed to be.
Douglas Adams, british humorist & science fiction novelist (1952 - 2001)


Danksagungen

Diese Arbeit wurde von Januar 2007 bis März 2010 in der Arbeitsgruppe Burkovski am
Department für Mikrobiologie, Institut für Biologie der Friedrich-Alexander-Universität
Erlangen-Nürnberg angefertigt.
Mein besonderer Dank gilt den Herren Professores Dr. Andreas Burkovski und Dr. Fritz
Titgemeyer mit Familien für die Überlassung der Arbeit, die gemeinsame Teilnahme an
Kongressen und Fortbildungen und die guten Gespräche. Weiterhin möchte ich mich beim
Departmentsleiter Prof. Dr. Wolfgang Hillen für die freundliche Aufnahme an seinem
Lehrstuhl und die Mai Thais im Zen bedanken.
Herrn PD Dr. Knut Jahreis danke ich für die freundliche Übernahme des Zweitgutachtens.
Ein ganz herzlicher Dank geht an das Prüfungsamt Biologie, namentlich Roswitha Hahn und
Petra Schmitt für die langjährige Begleitung und Unterstützung in allen Studien- und
Lebenslagen, und natürlich auch für den weihnachtlichen Glühwein.
Herrn Dr. Rösch mit Familie, Frau Wehr, Manuela Hanuschik, Anja Zabel und Markus
Müller mit Familie möchte ich dafür danken, daß sie mir und allen Mitarbeitern am
Lehrstuhl nicht nur den akademischen Alltag leichter gemacht haben.
Für ein wunderbares Arbeitsklima am Lehrstuhl möchte ich mich ganz herzlich bei allen
derzeitigen Mitgliedern der „MiBi“ bedanken, im besonderen und in willkürlicher
Reihenfolge: Kristin Hasselt, Nadine Rehm, Christoph Stöckle, Cornelius „Wendelin“
Wimmer, Dr. Gerald Seidel, Dr. Sanya Ün, Andreas Schmidt, Nadja Jeßberger, Lisa
Ott, Eva Hiery, Andrea Wünsche, Katrin Pfeffer, Nadine Steinert und all die anderen.
Ein herzlicher Gruß geht an meine lieben ehemaligen, jetzt in alle Welt verstreuten
Mitstreiter: Skype ist eine wunderbare Erfindung! Die Doktores Dagmar Goeke, Sabine
Fischer, Maximilian Schlicht, Manfred Beleut, Eva Hänßler & Britta Walter (viva
colonia!), Didi Hillmann, Dave Mitzner, Johannes Bail, Yinhua Lu, Marius Majewski,
Markus Steber, Michael Vockenhuber, Julia Weigand, Mareen Sprehe etc. pp.
Was hätte ich ohne euch gemacht: Dr. Janko Daam mit Ehefrau Tanja und mein
Patenkind Kira.
Ganz besonderer Dank geht an meine neuen Kollegen von Symanto für ihre Geduld während
der Endphase meiner Promo: Khaleeq, Alex und insbesondere Michael & Susi Klieber mit
Töchterchen Johanna.
Ein herzlicher Gruß gilt Dr. Peter Richter und Martin Schuster von meinem alten Lehrstuhl
und natürlich der gesamten Belegschaft der Bio-Werkstatt für ein paar wirklich
unvergeßliche Weihnachtsfeiern, Katzenstreu inklusive.
Schlußendlich gilt mein größter Dank meinem Vater Dr. Hans Amon, der meinen langen
Weg zum Titel all die Jahre geduldig ertragen und mich bis zum Äußersten unterstützt hat: I
love you, Dad!
Table of contents

1  Introduction .................................................................................................. 8 
1.1  Gram-positive bacteria: the order Actinomycetales .................................................... 8 
1.2  Actinomycetes: The era of genomics ........................................................................ 14 
1.3  The basics of nitrogen metabolism and regulation .................................................... 17 
1.4  The basics of carbohydrate uptake and regulation20 
1.5  Proteolysis: An alternative route for carbohydrate and nitrogen sources .....................
and its role in pathogenicity ....................................................................................... 22 
1.6  Aim ............................................................................................................................ 25 
2  Results & Discussion .................................................................................. 26 
2.1  Regulation of nitrogen metabolism in Mycobacterium smegmatis ........................... 26 
2.1.1  Nitrogen-dependent expression of ammonium transport and ...............................
assimilation proteins depends on the OmpR-type regulator GlnR ..................... 26 
2.1.2  The role and function of AmtR in M. smegmatis and S. avermitilis .................. 27 
2.1.3  The search for the GlnR interaction partner ....................................................... 29 
2.2  Comparative genomic analysis of nitrogen metabolism and .........................................
control in mycobacteria ............................................................................................ 31 
2.3  The glucose permease and glucose kinase of M. smegmatis ..................................... 33 
2.4  Carbohydrate transport systems of mycobacteria ...................................................... 37 
2.5 s of Bifidobacterium longum .................................... 39 
2.6  Comparative genomic analysis of the proteolytic potential in corynebacteria .......... 41 
3  Summary / Zusammenfassung .................................................................. 43 
3.1  Summary .................................................................................................................... 43 
3.2  Zusammenfassung ..................................................................................................... 44 
4  References ................................................................................................... 45 
5  Own publications ........................................................................................ 56 
6  Appendix ..................................................................................................... 57 
6.1  Full species names57 
6.2  Publications ............................................................................................................... 59 

Introduction
1 Introduction
1.1 Gram-positive bacteria: the order Actinomycetales
In 1884, the Danish scientist Hans-Christian Gram (1853 – 1938) published a
technique of staining bacteria to distinguish two species with similar clinical symptoms,
namely Streptococcus pneumoniae and Klebsiella pneumoniae. This staining method, which
is until today one of the most basic and widely used laboratory techniques for the
characterization of a bacterial organism, is based on the chemical and physical properties of
the cell wall and allows to differentiate bacterial species into two large groups, namely the
Gram-negative and the Gram-positive bacteria. While the technique of Gram-staining for
exact identification purposes in modern environmental or molecular microbiology is now
mostly superseded by advanced techniques such as genetic sequencing, Gram-stains remain a
reliable and fast detection method in medical laboratories when a bacterial infection is
suspected and the patient’s treatment (e.g. the appropriate antibiotics choice) has to be
determined.
Gram‐positive Gram‐negative
cellwall cellwall
Peptidoglycan
Plasma membrane
Cytoplasm
Periplasmicspace
Outer membrane

Figure 1: Gram-positive and -negative cell wall structure. Note that Gram-positive organisms feature a much
thicker peptidoglycan layer containing lipoteichoic acid (LTA), while Gram-negative bacteria have an outer
membrane containing lipopolysaccharide (LPS).
Apart from the shortcomings of this technique such as some organisms being Gram-
variable or not susceptible to staining at all, the differentiation of bacteria into Gram-negative
and Gram-positive organisms proves itself valid even today in the era of genomics where
high-throughput sequencing allows the rapid creation and detailed phylogenetic analysis of
8Introduction
whole genome sequences. This is mostly owed to the fact that Gram-staining exploits one of
the most fundamental differences between bacterial organisms, namely the occurrence of a
thick peptidoglycan cell wall for Gram-positive organisms in comparison to the thin cell wall
and outer membrane of Gram-negative bacteria (Fig. 1). Gram-positive bacteria lack the outer
membrane and associated lipopolysaccharide (LPS) that is present in Gram-negative
organisms. In Gram-positive bacteria, the peptidoglycan layer is thicker and contains teichoic
acids. An overview of bacterial phylogeny is given in Fig. 2.

Figure 2: Overview of bacterial phylogeny. Note that within all given phyla, only the Actinobacteria and
Firmicutes are Gram-positive. Source: NCBI Bacterial Genomes Tree BLAST group, National Institutes Of
Health, Bethesda, MD, USA.
Focussing on the group of Gram-positive organisms, another subdivision was created
which is based on the genomic content of the nucleotides guanine and cytosine; this resulted
in two major groups, namely the phyla of low G+C Firmicutes (e.g. bacilli, clostridia, cocci)
and high G+C Actinobacteria (e.g. streptomycetes, corynebacteria, mycobacteria,
bifidobacteria; for review on phylogenetics, see Ventura et al., 2007b). Despite sharing the
thick peptidoglycan cell wall, the two phyla show only distant relationship on a phylogenetic
level, which is also reflected on 16S rRNA analyses (Fig. 3).
9Introduction
Mycobacterium tuberculosis H37rv
2Mycobacterium smegmatis MC 155
Actinomycetes
Corynebacterium glutamicum ATCC13032
Streptomyces coelicolor A3
Escherichia coli K12
ProteobacteriaSalmonella enterica ssp. enterica
Agrobacterium tumefaciens
Anabaena variabilis Cyanobacteria
Clostridium butyricum
Clostridium beijerinckii
Clostridium perfringens Clostridiales
Clostridium botulinum
Clostridium tetani
Bacillus subtilis 168
Staphylococcus aureus RF122 Firmicutes
Bacillales
Listeria monocytogenes
Enterococcus faecalis v583
Streptococcus pneumoniae R4
Lactococcus lactis ssp. lactis
Lactobacillales
Lactobacillus acidophilus
Lactobacillus casei ATCC 334
0.1
Figure 3: Phylogenetic tree of selected bacteria based on 1,500 nucleotides of 16S rRNA. Scale bar,
substitutions of 5 nucleotides. Note that the Proteobacteria and Cyanobacteria are Gram-negative, while the
Actinobacteria and Firmicutes are Gram-positive organisms. Phyla and orders are indicated.
Within the phylum Actinobacteria, the streptomycetes take a special role in many
respects. The most distinguishable feature is their capability of morphological differentiation:
most of them grow vegetatively in a mycelium-like filamentous fashion and are able to form
aerial branches which in turn produce spores as a result of nutrient depletion (Fig. 4; Chater,
1993). Sporulation of aerial hyphae is connected to the other distinct feature of
streptomycetes, the activation of secondary metabolism and production of antibiotics
(Hopwood, 1988). This capability has turned streptomycetes into the primary antibiotics-
producing organisms for the pharmaceutical industry (Berdy, 2005).
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