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Zentralinstitut für Ernährungs- und Lebensmittelforschung (ZIEL)

Abteilung Mikrobiologie
Technische Universität München
Weihenstephaner Berg 3
D-85350 Freising



Forschungsgruppe:
Funktion und Evolution von überlappenden Genen in Bakterien


Dr. Zachary Ardern, PostDoc
Michaela Kreitmeier, MSc
PD Dr. Klaus Neuhaus (ZIEL Core Facility Microbiome / NGS)
Sonja Vanderhaegen, MSc
Romy Wecko, TA
Stefan Wichmann, MSc
Barbara Zehentner, MSc

Problemstellung

Die Codierungsdichte für proteincodierende Gene in prokaryotischen Genomen ist vermutlich deutlich höher als bisher gedacht. Neben unbekannten intergenischen Genen codiert in einigen sehr überraschenden Fällen dieselbe DNA Sequenz für zwei verschiedene Proteine, weil zwei verschiedene Leseraster translatiert werden (Überlappende Gene = OLGs).

Überlappende Gene bei Bakterien wurden bisher allerdings kaum bearbeitet und ihre Entstehung ist ein Rätsel, dessen Lösung intensive Forschungsarbeit erfordert. Wir bearbeiten diese Fragestellung mit experimentellen, bioinformatischen, theoretischen und evolutionsbiologischen Methoden, um die solchen Genen zugrundeliegenden Mechanismen der Funktion, der Genexpression, der de novo Entstehung und der Evolution zu verstehen.






Gegenwärtig bearbeiten Dr. Zachary Ardern, Sonja Vanderhaegen und Stefan Wichmann schwerpunktmäßig bioinformatische Charakteristika sowie die taxonomische Verteilung und Entstehung überlappender Gene unter evolutionsbiologischen und codierungstheoretischen Aspekten. Barbara Zehentner charakterisiert überlappende Gene in Escherichia coli EHEC sowohl mit molekulargenetischen und physiologischen Methoden, als auch im Hochdurchsatz mit NGS Methoden. Michaela Kreitmeier beforscht überlappende Gene im Humanpathogen Pseudomonas aeruginosa mit mehreren experimentellen Strategien.

Das Projekt wurde zwischen 2011 und 2017 im Rahmen des Teilprojektes „FOG Theory“ im Schwerpunkt „Informations – und Kommunikationstheorie in der Molekularbiologie“  (InKoMBio SPP 1395) durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert. Die Bearbeitung erfolgte im Rahmen einer interdisziplinären, engen Kooperation zwischen unserem Lehrstuhl, dem Lehrstuhl „Datenanalyse und Visualisierung“ von Prof. Daniel Keim an der Universität Konstanz und dem Lehrstuhl “Telecommunications and Applied Information Theory von Prof. Martin Bossert an der Universität Ulm.

Publikationen

Loessner M, Gäng S, Scherer S (1999) Evidence for a Holin-Like Protein Gene Fully Embedded Out of Frame in the Endolysin Gene of Staphylococcus aureus Bacteriophage 187. J Bacteriol 181,4452-4460

Neuhaus K, Oelke D, Fürst D, Scherer S, Keim DA (2010) Towards automatic detecting of overlapping genes - Clusters BLAST analysis of viral genomes. Pizzuti C, Ritchie MD, Giacobini M (Eds.). EvoBio 2010, LNCS 6023, 228-239.

Simon S, Oelke D, Landstorfer R, Neuhaus K, Keim D (2011) Visual Analysis of Next-Generation Sequencing Data to Detect Overlapping Genes. In:  IEEE Symposium on Biological Data Visualization, pp. 47–54, Providence, Rhode Island, USA

Mir K, Neuhaus K, Scherer S, Bossert M, Schober S (2012) Predicting statistical properties of open reading frames in bacterial genomes. PLOS one 7, 9,e45103:1-12

Fellner L, Bechtel N, Witting MA, Simon S, Schmitt-Kopplin P, Keim D, Scherer S, Neuhaus K (2013) Phenotype of htgA (mbiA), a recently evolved orphan gene of Escherichia and Shigella, completely overlapping in antisense of yaaW. FEMS Microbiol Lett 1-8.

Simon S, Mittelstädt S, Kwon BC, Stoffel A, Landstorfer R, Neuhaus K, Mühlig A, Scherer S, Keim DA (2015) VisExpress: Visual exploration of differential gene expression data. Info Vis, 1-26, 14:1473871615612883

Fellner L, Simon S, Scherling C, Witting M, Schober S, Polte C, Schmitt-Kopplin P, Keim DA, Scherer S, Neuhaus K (2015) Evidence for the recent origin of a bacterial protein-coding, overlapping orphan gene by evolutionary overprinting. BMC Evol Biol. 15:283.

Neuhaus K, Landstorfer R, Fellner L, Simon S, Schafferhans A, Goldberg T, Marx H, Ozoline ON, Rost B, Kuster B, Keim DA and Scherer S (2016) Translatomics combined with transcriptomics and proteomics reveals novel functional, recently evolved orphan genes in Escherichia coli O157:H7 (EHEC). BMC Genomics 17:133

Neuhaus K, Landstorfer R, Simon S, Schober S, Wright PR, Smith C, Backofen R, Wecko R, Keim DA, Scherer S (2017) Differentiation of ncRNAs from small mRNAs in Escherichia coli O157:H7 EDL933 (EHEC) by combined RNAseq and RIBOseq – ryhB encodes the regulatory RNA RyhB and a peptide, RyhP. BMC Genomics 18:216 DOI 10.1186/s12864-017-3586-9

Hücker SM, Ardern Z, Goldberg T, Schafferhans A, Bernhofer M, Vestergaard G, Nelson CW, Schloter M, Rost B, Scherer S, Neuhaus K (2017) Discovery of numerous novel small genes in the intergenic regions of the Escherichia coli O157:H7 Sakai genome. PLoS One. 2017 Sep 13;12(9): e0184119

Hücker SM, Vanderhaegen S, Abellan-Schneyder I, Wecko R, Simon S, Scherer S , Neuhaus K (2017) A novel short L-arginine responsive protein-coding gene (laoB) antiparallel overlapping to a CadC-like transcriptional regulator in Escherichia coli O157:H7 Sakai originated by overprinting. BMC Evolutionary Biology, in press


Aktuelles

Preisverleihung
Innovationspreis für Siegfried Scherer

Forschungspreis
Otto-von-Guericke Forschungspreis für Siegfried Scherer

Paper
A novel short L-arginine responsive protein-coding gene (laoB) antiparallel overlapping to a CadC-like transcriptional regulator in Escherichia coli O157:H7 Sakai originated by overprinting (2018)

Paper
Lactobacillus - Mikrobe des Jahres 2018 - Unser täglich Brot: Helfer in der Lebensmittelfermentation (2018)

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Comparison between Listeria sensu stricto and Listeria sensu lato strains identifies novel determinants involved in infection (2017)

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Denkvoraussetzungen und weltanschauliche Überzeugungen in der Biologie (2017)

Paper
Differentiation of ncRNAs from small mRNAs in Escherichia coli O157:H7 EDL933 (EHEC) by combined RNAseq and RIBOseq-ryhB encodes the regulatory RNA Ryhb and a Peptide, RyhP. (2017)

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Complete circular genome sequence and temperature independent adaptation to Anaerobiosis of Listeria weihenstephanensis DSM 24698 (2017)

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Discovery of numerous novel small genes in the intergenic regions of the Escherichia coli O157:H7 Sakai Genome (2017)

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High binding affinity of repressor IolR avoids costs of untimely induction of myo-inositol utilization by Salmonella Typhimurium (2017)

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Genetic characterization of the Galactitol utilization pathway of Salmonella enterica serovar Typhimurium. (2017)

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Heat stability of indigenous milk plasmin and peptidases from Pseudomonas: a challenge in the production of ultra-high temperature milk products (2016)

Paper
Spoilage of Microfiltered and Pasteurized Extended Shelf Life Milk Is Mainly Induced by Psychrotolerant Spore-Forming Bacteria that often Originate from Recontamination (2017)

Paper
Bakterieller Stoffwechsel als Pathogenitätsfaktor (2016)

Paper
Transcriptional and translational regulation by RNA thermometers, riboswitches and the sRNA DsrA in Escherichia coli O157:H7 Sakai under combined cold and osmotic stress adaptation. (2016)

Paper
Hysteresis in myo-inositol utilization by Salmonella Typhimurium (2016)

Paper
Probiotic Enterococcus faecalis Symbioflor® down regulates virulence genes of EHEC in vitro and decrease pathogenicity in a Caenorhabditis elegans model (2017)

Paper
Draft Genome Sequence of Lysinibacillus xylanilyticus SR-86 (Nov. 2016)

Paper
Permanent colonization of creek sediments, creek water and limnic water plants by four Listeria species in low population densities (November 2016)

Paper
Draft Genome Sequence of the Xanthan Producer Xanthomonas campestris LMG 8031 (Oktober 2016)

Paper
Comparative Bioinformatics and Experimental Analysis of the Intergenic Regulatory Regions of Bacillus cereus hbl and nhe Enterotoxin Operons and the Impact of CodY on Virulence Heterogeneity (Mai 2016)

Paper
Regulation of fucose and 1,2-propanediol utilization by Salmonella enterica serovar Typhimurium (März 2016)

Paper
Acidified nitrite inhibits proliferation of Listeria monocytogenes - Transcriptional analysis of a preservation method (März 2016)

Berufung Expertenrat
Prof. Dr. Siegfried Scherer wurde in den Expertenrat für Lebensmittelsicherheit des Bayerischen Staatsministeriums für Umwelt und Verbraucherschutz berufen.

Paper
Translatomics combined with transcriptomics and proteomics reveals novel functional, recently evolved orphan genes in Escherichia coli O157:H7 (EHEC)

Paper
A sensitive and robust method for direct determination of lipolytic activity in natural milk environment (März 2016, online first)

Paper
Evidence for the recent origin of a bacterial protein-coding, overlapping orphan gene by evolutionary overprinting (Dez. 2015).

Paper
Massive horizontal gene transfer, strictly vertical inheritance and ancient duplications differentially shape the evolution of Bacillus cereus enterotoxin operons hbl, cytK and nhe (Nov. 2015)

Paper
Chemodiversity of cereulide, the emetic Toxin of Bacillus cereus (2015)