Bakterien müssen sich fortwährend an die verschiedensten Veränderungen in ihrer Umwelt anpassen. Abgesehen von der gut untersuchten generellen Stressantwort auf Basis der Reprogrammierung der Transkription, wurde in unserem Labor ein neuartiger post-transkriptioneller Mechanismus charakterisiert, welcher durch ein sogenanntes Toxin-Antitoxin (TA) Modul herbeigeführt wird. Das Toxin MazF, welches durch diverse Stressbedinugngen aktiviert wird, schneidet RNAs an einzelsträngigen ACA-Sequenzen. Prinzipiell führt dies zum Abbau des Großteils aller mRNAs in der Zelle. Erstaunlicherweise werden einige bestimmte mRNAs nur an ACAs kurz vor dem Startkodon geschnitten, wodurch ihre 5‘-nichtranslatierte Region entfernt wird und sie zu sogenannten „leaderless mRNAs“ prozessiert werden. Zusätzlich entfernt MazF auch ein kleines Stück des 3‘-Endes der 16S rRNA von intakten Ribosomen, welches die anti-Shine-Dalgarno-Sequenz beeinhaltet. Die so entstandenen spezialisierten Ribosomen sind dadurch selektiv für die Translation von „leaderless mRNAs“. Zusammenfassend führt die Aktivierung von MazF durch diverse Stressbedingungen zur selektiven Translation einer distinkten Gruppe an mRNAs, welche wir das „leaderless mRNA Regulon“ nennen. Dieser Mechanismus repräsentiert ein neuartiges Modell für eine translational regulierte Stressantwort und ist ein außergewöhnliches Beispiel für die Funktionalität von Ribosomenheterogenität. Das Hauptaugenmerk meiner Dissertation liegt darauf, erstmals das „leaderless mRNA Regulon“ zu bestimmen und die physiologische Stressreaktion, die durch MazF hervorgerufen wird, weitergehend zu charakterisieren. Dabei untersuche ich auch das Ausmaß und die Bedeutung von Ribosomenheterogenität. Zu diesem Zwecke habe ich eine Methode zur Isolierung von intakten und vollständigen mRNAs aus Polysomen, welche das Translatom repräsentieren, entwickelt. Meine vergleichenden Analysen von Transkriptom und Translatom unter Stressbedingungen zeigen die bisher unterschätzte Bedeutsamkeit selektiver Translation als regulatorisches Element in der Genexpression.

During a lifetime bacteria have to deal with a number of stresses due to changes in their environment. Besides the general stress response via reprogramming of the transcriptional machinery, our lab has recently identified a novel post-transcriptional mechanism, which is mediated by a so called toxin-antitoxin (TA) module. The toxin MazF, whose activity is triggered by various stress conditions, cleaves RNAs at single-stranded ACA sequences. In general, this activity leads to degradation of bulk mRNA. Intriguingly, some distinct mRNAs are cleaved at ACA-sites directly upstream of the start codon and thereby rendered ‘leaderless’ as they lack the 5’-untranslated region. In addition, MazF targets the 16S rRNA of intact ribosomes, resulting in the removal of its 3’-end harboring the anti-Shine-Dalgarno sequence. Consequently, these specialized ribosomes are selective for translation of leaderless mRNAs. Taken together, activation of MazF under adverse conditions results in the translation of a distinct set of mRNAs, which represents a novel paradigm for a translationally regulated stress response and exemplifies the importance of ribosome heterogeneity for regulation of gene expression. The major focus of my PhD project is the determination of the ‘leaderless mRNA regulon’, i.e. the subset of mRNAs, which are selectively translated upon MazF activation. In this course, I also aim to further characterize the physiological relevance of the MazF-mediated stress response and to estimate the extent and functionality of ribosome heterogeneity. To this end, I developed a method to isolate intact and full length mRNAs after mazF over-expression from polysomes which represent the translatome. Comparison of the translatome with the transcriptome after the stress reveals the so far underestimated significance of selective translation as a regulatory mechanism in gene expression during stress.