Outside In Acquisition and analysis of large data sets promises to move us toward a greater understanding of the mechanisms by which biological systems are dynamically regulated to respond to external cues. Now, two papers explore the responses of a bacterium to changing nutritional conditions (see the Perspective by Chalancon et al. ). Nicolas et al. (p. 1103 ) measured transcriptional regulation for more than 100 different conditions. Greater amounts of antisense RNA were generated than expected and appeared to be produced by alternative RNA polymerase targeting subunits called sigma factors. One transition, from malate to glucose as the primary nutrient, was studied in more detail by Buescher et al. (p. 1099 ) who monitored RNA abundance, promoter activity in live cells, protein abundance, and absolute concentrations of intracellular and extracellular metabolites. In this case, the bacteria responded rapidly and largely without transcriptional changes to life on malate, but only slowly adapted to use glucose, a shift that required changes in nearly half the transcription network. These data offer an initial understanding of why certain regulatory strategies may be favored during evolution of dynamic control systems.

ADVERTISEMENT RETURN TO ISSUEPREVArticleNEXTInteraction of antimicrobial dermaseptin and its fluorescently labeled analogs with phospholipid membranesYehonathan Pouny, Doron Rapaport, Amram Mor, Pierre Nicolas, and Yechiel ShaiCite this: Biochemistry 1992, 31, 49, 12416–12423Publication Date (Print):December 15, 1992Publication History Published online1 May 2002Published inissue 15 December 1992https://pubs.acs.org/doi/10.1021/bi00164a017https://doi.org/10.1021/bi00164a017research-articleACS PublicationsRequest reuse permissionsArticle Views1850Altmetric-Citations516LEARN ABOUT THESE METRICSArticle Views are the COUNTER-compliant sum of full text article downloads since November 2008 (both PDF and HTML) across all institutions and individuals. These metrics are regularly updated to reflect usage leading up to the last few days.Citations are the number of other articles citing this article, calculated by Crossref and updated daily. Find more information about Crossref citation counts.The Altmetric Attention Score is a quantitative measure of the attention that a research article has received online. Clicking on the donut icon will load a page at altmetric.com with additional details about the score and the social media presence for the given article. Find more information on the Altmetric Attention Score and how the score is calculated. Share Add toView InAdd Full Text with ReferenceAdd Description ExportRISCitationCitation and abstractCitation and referencesMore Options Share onFacebookTwitterWechatLinked InRedditEmail Other access optionsGet e-Alertsclose Get e-Alerts

Lactobacillus delbrueckii ssp. bulgaricus ( L. bulgaricus ) is a representative of the group of lactic acid-producing bacteria, mainly known for its worldwide application in yogurt production. The genome sequence of this bacterium has been determined and shows the signs of ongoing specialization, with a substantial number of pseudogenes and incomplete metabolic pathways and relatively few regulatory functions. Several unique features of the L. bulgaricus genome support the hypothesis that the genome is in a phase of rapid evolution. ( i ) Exceptionally high numbers of rRNA and tRNA genes with regard to genome size may indicate that the L. bulgaricus genome has known a recent phase of important size reduction, in agreement with the observed high frequency of gene inactivation and elimination; ( ii ) a much higher GC content at codon position 3 than expected on the basis of the overall GC content suggests that the composition of the genome is evolving toward a higher GC content; and ( iii ) the presence of a 47.5-kbp inverted repeat in the replication termination region, an extremely rare feature in bacterial genomes, may be interpreted as a transient stage in genome evolution. The results indicate the adaptation of L. bulgaricus from a plant-associated habitat to the stable protein and lactose-rich milk environment through the loss of superfluous functions and protocooperation with Streptococcus thermophilus .

Adaptation of cells to environmental changes requires dynamic interactions between metabolic and regulatory networks, but studies typically address only one or a few layers of regulation. For nutritional shifts between two preferred carbon sources of Bacillus subtilis, we combined statistical and model-based data analyses of dynamic transcript, protein, and metabolite abundances and promoter activities. Adaptation to malate was rapid and primarily controlled posttranscriptionally compared with the slow, mainly transcriptionally controlled adaptation to glucose that entailed nearly half of the known transcription regulation network. Interactions across multiple levels of regulation were involved in adaptive changes that could also be achieved by controlling single genes. Our analysis suggests that global trade-offs and evolutionary constraints provide incentives to favor complex control programs.

ABSTRACT Bacteria of the genus Flavobacterium are recovered from a large variety of environments. Among the described species, Flavobacterium psychrophilum and Flavobacterium columnare are causing considerable losses in fish farms. Alongside these well-known fish-pathogenic species, isolates belonging to the same genus recovered from diseased or apparently healthy wild, feral, and farmed fish have been suspected to be pathogenic. Here, we report the identification and genomic characterization of a F. collinsii isolate (TRV642) retrieved from rainbow trout spleen. A phylogenetic tree of the genus built by aligning the core genome of 195 Flavobacterium species revealed that F. collinsii is standing within a cluster of species associated to diseased fish, the closest one being F. tructae which was recently confirmed as pathogenic. We evaluated the pathogenicity of F. collinsii TRV642 as well as of F. bernardetii F-372 T , another recently described species reported as a possible emerging pathogen. Following intramuscular injection challenges in rainbow trout, no clinical signs nor mortalities were observed. However, F. collinsii was isolated from the internal organs of wounded fish, suggesting that the bacterium could invade fish under compromised conditions such as stress and/or wounds. Our results suggest that some fish-associated Flavobacterium species should be considered as opportunistic fish pathogens causing disease under specific circumstances. IMPORTANCE Aquaculture has expanded significantly worldwide in the last decades and accounts for half of human fish consumption. However, infectious fish diseases are a major bottleneck for its sustainable development and an increasing number of bacterial species from diseased fish raise a great concern. The current study revealed phylogenetic associations with ecological niches among the Flavobacterium species. We also focused on Flavobacterium collinsii that belongs to a group of putative pathogenic species. The genome contents revealed a versatile metabolic repertoire suggesting the use of diverse nutrient sources, a characteristic of saprophytic or commensal bacteria. In a rainbow trout experimental challenge, the bacterium colonized only oppressed fish facing stressful conditions suggesting opportunistic pathogenic behavior. This study highlights the importance of experimentally evaluating the pathogenicity of the numerous bacterial species retrieved from diseased fish.

ABSTRACT Bacillus subtilis has been extensively used to study the molecular mechanisms behind the development and dispersal of surface bacterial multicellular communities. Well-structured spatially organised communities (colony, pellicle, and submerged biofilm) share some similarities, but also display considerable differences at the structural, chemical and biological levels. To unveil the spatial transcriptional heterogeneity between the different communities, we analysed by RNA-seq nine spatio-physiological populations selected from planktonic and spatially organised communities. This led to a global landscape characterisation of gene expression profiles uncovering genes specifically expressed in each compartmental population. From this mesoscale analysis and using fluorescent transcriptional reporter fusions, 17 genes were selected and their patterns of expression reported at single cell scale with time-lapse confocal laser scanning microscopy (CLSM). Derived kymographs allowed to emphasise spectacular mosaic gene expression patterns within a biofilm. A special emphasis on oppositely regulated carbon metabolism genes ( gapA and gapB ) permitted to pinpoint the coexistence of spatially segregated bacteria under either glycolytic or gluconeogenic regime in a same biofilm population. Altogether, this study gives novel insights on the development and dispersal of B. subtilis surface-associated communities.

Automatic de novo identification of the main regulons of a bacterium from genome and transcriptome data remains a challenge. To address this task, we propose a statistical model of promoter DNA sequences that can use information on exact positions of the transcription start sites and condition-dependent expression profiles. Two main novelties are to allow overlaps between motif occurrences and to incorporate covariates summarising expression profiles (e.g. coordinates in projection spaces or hierarchical clustering trees). All parameters are estimated using a dedicated trans-dimensional Markov chain Monte Carlo algorithm that adjusts, simultaneously, for many motifs and many expression covariates: the width and palindromic properties of the corresponding position-weight matrices, the number of parameters to describe position with respect to the transcription start site, and the choice of relevant expression covariates. A data-set of transcription start sites and expression profiles available for the Listeria monocytogenes is analysed. The results validate the approach and provide a new global view of the transcription regulatory network of this important model food-borne pathogen. A previously unreported motif that may play an important role in the regulation of growth was found in promoter regions of ribosomal protein genes.

Abstract Polymerase errors during DNA replication are a major source of point mutations in genomes. The resulting rate of spontaneous mutation also depends on the counteracting activity of DNA repair mechanisms, with mutator phenotypes appearing constantly and allowing for periods of rapid evolution in nature and in the laboratory. Here, we use the Gram-positive model bacterium Bacillus subtilis to disentangle the contributions of DNA polymerase initial nucleotide selectivity, DNA polymerase proofreading, and mismatch repair (MMR) to the mutation rate. To achieve this, we constructed several conditional hypermutators with a proofreading-deficient allele of polC and/or a deficient allele of mutL and performed mutation accumulation experiments. With their wide range of mutation rates and contrasting mutation profiles, these conditional hypermutators enrich the B. subtilis synthetic biology toolbox for directed evolution. Using mathematical models, we investigated how to interpret the apparent probabilities with which errors escape MMR and proofreading, highlighting the difficulties of working with counts that aggregate potentially heterogeneous mutations and with unknowns about the pathways leading to mutations in the wild-type. Aware of these difficulties, the analysis shows that proofreading prevents partial saturation of the MMR in B. subtilis and that an inherent drawback of proofreading is to skew the net polymerase error rates by amplifying intrinsic biases in nucleotide selectivity.

Bacteria can respond to environmental stresses by entering a dormant state, called viable but non-culturable (VBNC) state, in which they no longer grow in routine culture media. VBNC pathogens pose thus a significant risk for human and animal health as they are not detected by standard growth-based techniques and can wake up back into a vegetative and virulent state. Although hundreds of species were reported to become VBNC in response to different stresses, the molecular mechanisms governing this phenotypic switch remain largely elusive. Here, we characterized the VBNC state transition process in the Gram-positive pathogen Listeria monocytogenes in response to nutritional deprivation. By combining fluorescence microscopy, cryo-electron tomography and analytical biochemistry, we found that starvation in mineral water drives L. monocytogenes into a VBNC state via a mechanism of cell wall (CW) shedding that generates osmotically stable CW-deficient (CWD) coccoid forms. This phenomenon occurs in multiple L. monocytogenes strains and in other Listeria species, suggesting it may be a stress-adapting process transversal to the Listeria genus. Transcriptomic and gene-targeted approaches revealed the stress response regulator SigB and the autolysin NamA as major moderators of CW loss and VBNC state transition. Finally, we show that this CWD dormant state is transient as VBNC Listeria revert back to a walled, vegetative and virulent state after passage in embryonated eggs. Our findings provide unprecedented detail on the mechanisms governing the transition to a VBNC state, and reveal that dormant CWD bacterial forms can naturally arise in aquatic environments without osmotic stabilization. This may represent an alternative strategy for bacterial survival in oligotrophic conditions, which can potentially generate public health-threatening reservoirs of undetectable pathogens.

Abstract Reprogramming of gene expression during transition from exponential growth to stationary phase is crucial for bacterial survival. In the model Gram-positive bacterium Bacillus subtilis , this process is mainly governed by the activity of the global transcription regulators AbrB, CodY and Spo0A. We recently showed that the transcription termination factor Rho, known for its ubiquitous role in the inhibition of antisense transcription, is involved in Spo0A-mediated regulation of differentiation programs specific to the stationary phase in B. subtilis . To identify other aspects of the regulatory role of Rho during adaptation to starvation, we have constructed a B. subtilis strain that expresses rho at a relatively stable high level in order to circumvent its decrease occurring in the wild-type cells entering the stationary phase. We show that B. subtilis cells stably expressing Rho fail to sporulate and to develop genetic competence, which is largely, but not exclusively, due to abnormally low expression of the master regulator Spo0A. Moreover, in addition to a global decrease of antisense transcription, these cells exhibit genome-wide alterations of sense transcription. A significant part of these alterations affects genes from global regulatory networks of cellular adaptation to the stationary phase and reflects the attenuated de-repression of the AbrB and CodY regulons and the weakened stringent response. Accordingly, stabilization of Rho level reprograms stationary phase-specific physiology of B. subtilis cells, negatively affects cellular adaptation to nutrient limitations and alters cell-fate decision-making to such an extent that it blocks development of genetic competence and sporulation. Taken together, these results indicate that the activity of termination factor Rho constitutes a previously unknown layer of control over the stationary phase and post-exponential adaptive strategies in B. subtilis , from the adjustment of cellular metabolism to the activation of survival programs.