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.

Der Transkriptionsfaktor CEBPA reguliert Differenzierung und Proliferation in verschiedenen Zelltypen und spielt eine herausragende Rolle in der Hämatopoese. Die CEBPA RNA kann in die lange P42-Isoform oder die N-terminal verkürzte P30-Isoform translatiert werden. Während P42-CEBPA differenzierungsinduzierend wirkt, ist P30 als Inhibitor von P42 und als Onkogen in akuter myeloider Leukämie beschrieben. Die Modularität und Multifunktionalität von CEBPA, die ihn zahlreichen Studien beobachtet wurde, lässt sich möglicherweise durch differentielle Protein–Protein-Interaktionen erklären. Zahlreiche post-translationale Modifikationen (PTMs) und die intrinsisch ungeordnete, flexible Struktur von CEBPA stellen jedoch eine Herausforderung für traditionelle Ansätze in Proteininteraktionsstudien dar. In der vorliegenden Arbeit wird ein neuer, alternativer Ansatz präsentiert, der auf einem in vitro Proteininteraktions-screen auf einer Peptidmatrix (PRISMA) und Biotinligase proximity labelling (BioID) in lebenden Zellen basiert. In einem PRISMA-screen wurden 120 CEBPA Peptide auf Proteininteraktionen mit Proteinextrakt aus myeloiden Zellen untersucht. Im Screen wurden 40 verschiedene CEBPA PTMs inkludiert, unter anderem auch die hier erstmals neu beschriebenen Methylierungen der CEBPA Argininreste R12 und R142. Daten aus dem PRISMA-screen wurden mit BioID Experimenten in myeloiden Zellen validiert, um eine Proteininteraktionslandkarte von CEBPA zu generieren, die 52 bekannte und 68 neue CEBPA Proteininteraktoren umfasst. Hotspots für Proteininteraktionen fallen in evolutionär konservierte CEBPA Regionen und der Vergleich des Bindungsprofils mit publizierten Daten zeigt Ähnlichkeiten zu verwandten Transkriptionsfaktoren der CEBP Familie. Die Ergebnisse legen nahe, dass die Multifunktionalität von CEBPA von multivalenten Proteininteraktionen in Abhängigkeit von PTMs koordiniert wird, um CEBPA mit dem epigenetischen und transkriptionellen Apparat der Zelle verknüpfen. / The pioneering transcription factor CEBPA plays a lineage-instructing role during haematopoiesis and also regulates proliferation and differentiation in many other cell types. The CEBPA RNA can be translated into a full length (P42-CEBPA) or N-terminally truncated isoform (P30-CEBPA). While P42 induces differentiation in various cell types, the P30 isoform is mostly regarded as a dominant inhibitor of P42-CEBPA and acts as an oncogene in acute myeloid leukaemia. Protein interactions may be the key to explaining the functional plasticity and modularity of CEBPA that has been demonstrated in diverse experimental settings. However, the disordered structure and the numerous post-translational modification sites (PTMs) of CEBPA pose a challenge to traditional protein interaction studies. In the present work, a novel alternative approach is presented that combines an in vitro protein interaction screen on a peptide matrix (PRISMA) with biotin ligase proximity labelling (BioID) in living cells. To this end, 120 CEBPA peptides were probed for protein interactions with PRISMA. The screen comprised 40 different PTMs, including newly identified CEBPA arginine methylation sites. PRISMA data was validated with BioID experiments and generated a detailed CEBPA protein interaction map in myeloid cells. The interactome presented here contains 52 known and 68 novel CEBPA interactors that can now be mapped across the CEBPA sequence in a PTM dependent fashion. Hotspots of protein interaction correlated with conserved regions and comparison with previously published data revealed related binding profiles of homologous CEBP regions. Taken together, the data indicates that the functional plasticity of CEBPs is orchestrated by multivalent protein interactions and PTMs to configure a dynamic CEBP hub that interacts with many partners of the transcriptional and epigenetic machinery.