Die Fähigkeit zur Fortbewegung mit Hilfe von Flagellen verleiht Bakterien einen deutlichen Selektionsvorteil, weil Habitate mit optimalem Milieu schnell besiedelt werden können. Allerdings ist die Synthese der etwa 50 Genprodukte - wie Regulatoren, strukturelle Komponenten des Flagellenfilaments und der chemotaktischen Signaltransduktionskette - , die für die Etablierung der Motilität benötigt werden, ein aufwendiger Prozeß für die Zelle (es werden ca. 2% des Energiehaushalts der Zelle benötigt). Folglich untersteht die Expression des Flagellenapparats einer strikten hierarchischen Kontrolle und ist regulatorisch mit der Flagellenassemblierung gekoppelt.
Die Expression der 51 bekannten Gene des flagellar regulon von Sinorhizobium meliloti unterliegt einer Hierarchiekaskade aus drei Genklassen: Klasse I besteht aus den globalen Regulatorgenen visN und visR; die Klasse II-Gene, die für Basalkörper- und Motorkomponenten codieren, unterstehen der regulatorischen Kontrolle durch VisNR. Zu den Klasse III-Genen zählen die Chemotaxis- und Flagellingene; diese benötigen für ihre Expression die Synthese der Klasse I- und Klasse II-Genprodukte. Die Expression der Klasse II- und Klasse III-Gene ist auf die exponentielle Wachstumsphase beschränkt. Ich habe nachgewiesen, daß die Synthese des OmpR-ähnlichen Transkriptionsfaktors Rem ebenfalls auf die exponentielle Wachstumsphase beschränkt ist. Anhand von Expressionsstudien in diversen Mutantenstämmen konnte ich das rem-Gen unterhalb von visNR und oberhalb der Klasse II-Gene als Klasse IB-Gen in das Hierarchieschema der Genexpression des flagellar regulon integrieren. Rem repräsentiert folglich den direkten Regulator der Motilität bei S. meliloti. Die Primärstruktur des Rem-Proteins zeigt mit einer Signaldomäne und einer DNA-bindenden Domäne deutliche Ähnlichkeit zu Responsregulatoren. Allerdings ist die Phosphorylierung der Signaldomäne von Rem für dessen Aktivität nicht nötig. Mittels DNaseI-footprinting konnte ich zeigen, daß Rem an die Promotoren von Klasse II-Genen bindet. Außerdem bindet Rem an den eigenen Promotor, ein Hinweis auf eine autoregulatorische Kontrolle der Rem-Expression. Durch den Vergleich der durch Rem gebundenen DNA-Bereiche habe ich eine unvollständige direkte Wiederholungssequenz als Bindemotiv identifiziert. Dieses Motiv überlappt mit einer potentiellen -35-Promotor-Box. Die zentrale Rolle von Rem als wachstumsabhängiger Transkriptionsaktivator der Flagellen- und Motilitätsgene stellt ein neuartiges Merkmal bei S. meliloti dar.
Mittels Microarray-Analysen konnte ich die Funktion von Rem als Transkriptionsaktivator der Gene des flagellar regulon bestätigen. Außerdem habe ich durch die Microarray-Analysen eine zusätzliche, unerwartete regulatorische Funktion von Rem identifiziert: Rem reprimiert die Expression der exp-Gene, deren Genprodukte für die Biosynthese des Exopolysaccharids Galactoglucan benötigt werden. Die Exopolysaccharide Galactoglucan und Succinoglycan spielen eine wichtige Rolle in der Etablierung einer erfolgreichen Symbiose zwischen S. meliloti und Medicago sativa. Möglicherweise ist die komplementäre Regulation der Flagellensynthese und der Exopolysaccharidproduktion Folge eines komplexen regulatorischen Netzwerks, über welches Motilität und Symbiose gekoppelt sind.

The ability of bacteria to move by means of flagella allows them to reach favorable environments and makes them more competitive than bacteria that are forced to suffer environmental changes. However, the expression of the about 50 genes required for motility, including regulatory genes, genes coding for structural components of the flagellar filament, and the chemotactic signal transduction pathway, is a costly process for the cell (about 2% of biosynthetic energy expenditure). The expression of the flagellar gene system is therefore strictly controlled by a hierarchy of transcriptional classes and is temporally coupled to the assembly process.
The expression of the 51 known genes clustered in the flagellar regulon of Sinorhizobium meliloti is organized as a three-class hierarchy: class I comprises the master regulatory genes, visN and visR; class II, controlled by VisNR, comprises flagellar assembly and motility genes; and class III comprises flagellin and chemotaxis genes requiring class I and class II for expression. The expression of class II and class III genes is limited to exponential growth. I have shown that the synthesis of the new OmpR-like, 25-kDa transcription factor, Rem, is also confined to exponential growth. Gene expression in tester strains with known deficiencies placed the rem gene (class IB) below visNR and above class II genes in the regulatory cascade. Therefore, Rem represents the direct regulator of motility. The protein Rem is composed of a N-terminal receiver domain and a C-terminal DNA binding domain, thus revealing similarities to response regulators. However, phosphorylation of the receiver domain of Rem is not required for its activity. Using footprinting analysis I have demonstrated that the Rem protein binds to class II gene promoters and to its own promoter suggesting that this protein has an autoregulatory function. An alignment of the Rem-protected DNA-sequences revealed a conserved binding motif of imperfect tandem repeats overlapping a putative -35 promoter box by three bp. The central role of Rem as the growth-dependent transcriptional activator of flagellar and motility genes is a new distinguishing feature of S. meliloti and its relatives.
DNA microarray analysis confirmed the function of Rem as a transcriptional activator of flagellar gene expression. Furthermore, the gene array studies revealed an additional, unexpected regulatory role of Rem serving as a repressor for genes required for the biosynthesis of the exopolysaccharide galactoglucan. Exopolysaccharides are known to play an important role in the establishment of microbe-plant interaction. We postulate that the inverse regulation of flagellar synthesis and exopolysaccharide production is the result of a complex regulatory network linking motility and symbiosis.