Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Untersuchung der durch Alkylquinolone induzierten Signalübertragung im Rahmen der interbakteriellen Kommunikation bei Pseudomonas aeruginosa

Löns, Dagmar

Pseudomonas aeruginosa, a gram-negative opportunistic pathogen, is responsible for severe nosocomial infections and chronic infections of the cystic fibrosis lung. Virulence of P. aeruginosa depends on a large number of cell-associated and extracellular factors. Cell-to-cell signaling or “quorum sensing” controls the production of many extracellular factors in a cell density-dependent manner. Communication is mediated by signaling molecules, so-called autoinducers. Various of these are described in gram-negative bacteria as homoserine lactone-based molecules. P. aeruginosa possesses two homoserine lactone-dependent quorum sensing systems, respective autoinducers bind to and activate intracellular transcriptional regulator proteins (R-proteins). The R-protein/autoinducer-complex binds to specific DNA-sequences upstream of target genes enhancing their transcription. In 1999, it was shown that P. aeruginosa produces a third intercellular signal diffent from the two homoserine lactone-type autoinducers. This unique signal was identified as 2-heptyl-3-hydroxy-4-quinolone and is referred to as the Pseudomonas Quinolone Signal (PQS). The mechanism by which PQS controls gene expression is not known. No receptor protein or signal transduction system has been identified yet. P. aeruginosa produces high quantities of extracellular substances which were identified as a mixture of alkylquinolones containing PQS. A screening-system was established to investigate whether transposon insertion mutants of P. aeruginosa SCV 20265 are able to react properly to alkylquinolones. 6900 mutants were screened, and 71 were found which did not, or only slightly, react to alkylquinolones. 40 genes impaired by the transposon were subsequently identified in order to detect proteins important for signal transduction. Ten mutants with defects in genes involved in energy metabolism or afferent metabolic pathways were found. These data indicate that there is a relation between cell-to-cell signaling and the metabolic status of the bacterial cell. Two mutants were shown to contain the transposon insertion in a gene encoding the binding protein of an ABC transporter. Binding proteins are associated with bacterial importers of small molecules, and, therefore, it is possible that alkylquinolones are translocated through the cell membrane by such a transport system. Six mutants were found to have defects in regulatory pathways. One of these carries a mutation in PA3271, encoding a two component sensor kinase with structural homology to the sensor protein LuxN of Vibrio harveyi. Because LuxN had been shown before to interact with an autoinducer molecule, the sensor kinase of P. aeruginosa might act as a receptor for alkylquinolones. Another mutant was shown to contain the inserted transposon in a gene encoding the two component response regulator PhoB. PhoB and its cognate sensor kinase PhoR make up a two component system regulating the phosphate uptake of the cell. Under phosphate limitation, the expression and activation of PhoB is stimulated, and so is the production of pyocyanin and rhamnolipid. The synthesis of pyocyanin and rhamnolipid is increased by alkylquinolones as well, and it is possible that PhoB interacts with a sensor kinase other than PhoR. Based on these facts, it is proposed that signal transduction occurs through a two component system, whereas PhoB might be the response regulator mediating the impact of the alkylquinolones to the bacterial cell.

Pseudomonas aeruginosa, ein gramnegativer opportunistischer Krankheitserreger, verursacht schwere nosokomiale Infektionen sowie chronische Lungeninfektionen bei Mukoviszidosepatienten. Die Virulenz des Bakteriums beruht auf der Produktion eines Arsenals zellassozierter und extrazellulärer Faktoren. Durch interbakterielle Kommunikation oder „Quorum Sensing“ wird die Synthese zahlreicher extrazellulärer Virulenzfaktoren in Abhängigkeit von der Zelldichte reguliert. Die Kommunikation erfolgt über Signalmoleküle, sog. Autoinducer; bei gramnegativen Bakterien handelt es sich dabei in der Regel um Homoserinlaktone. Bei P. aeruginosa sind zwei Homoserinlakton-Autoinducer beschrieben, deren Wirkung durch die Interaktion mit intrazelllulären Regulatorproteinen vermittelt wird. Der Autoinducer/Regulatorprotein-Komplex bindet dabei an die DNA und induziert die Transkription bestimmter Gene. 1999 wurde bei P. aeruginosa ein drittes interbakterielles Signalmolekül identifiziert, das sich von den beiden bisher beschriebenen unterscheidet. Es handelt sich um 2-Heptyl-3-hydroxy-4-quinolon, das als Pseudomonas Quinolone Signal (PQS) bezeichnet wurde. Auf welche Weise die Wirkung dieses zuletzt entdeckten Signalmoleküls auf die Bakterienzelle vermittelt wird, ist nicht bekannt. P. aeruginosa produziert in großen Mengen extrazellulär vorliegende Substanzen, die als ein Gemisch von Alkylquinolonen identifiziert wurden, in dem u. a. PQS enthalten ist. Neben PQS wurde 2-Heptyl-4-quinolon, die quantitativ vorherrschende Komponente der Alkylquinolone, als aktive Substanz identifiziert. Ein Screening-System wurde entwickelt, mit dem nach Transposonmutanten von P. aeruginosa SCV 20265 gesucht wurde, die nicht oder nur schwach auf Alkylquinolone reagieren. Mittels molekularbiologischer Analysen wurde anschließend das durch das Transposon zerstörte Gen identifiziert. Von insgesamt 6900 gescreenten Mutanten zeigten 71 den gesuchten Phänotyp und 40 Gene konnten identifiziert werden, deren Zerstörung die zelluläre Reaktion auf Alkylquinolone verhinderte oder abschwächte. Bei zehn Mutanten befand sich das Transposon in Genen, die für Enzyme des Energiestoffwechsels oder zuführender Stoffwechselwege codieren. Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass ein Zusammenhang zwischen interbakterieller Signalübertragung und dem metabolischen Zustand der Bakterienzelle besteht. Bei zwei Mutanten war ein Gen zerstört worden, das für das Bindungsprotein eines ABC-Transporters codiert. Bindungsproteine sind mit bakteriellen Importern kleiner Moleküle assoziiert, und es besteht die Möglichkeit, dass die Alkylquinolone über ein solches Transportsystem ins Innere der Zelle verbracht werden. Sechs Mutanten wiesen Defekte in regulatorischen Systemen auf, bei einer Mutante wurde die Transposoninsertion in dem Gen PA3271 lokalisiert, das für eine Zwei-Komponenten-Sensorkinase codiert. Diese besitzt eine hohe strukturelle Homologie zu einem Sensorprotein bei V. harveyi, das mit einem Autoinducer interagiert, und stellt somit einen möglichen Rezeptor für die Alkylquinolone dar. Bei einer weiteren Mutante befand sich die Transposoninsertion in einem Gen, das für den Zwei-Komponenten-Response Regulator PhoB codiert. PhoB bildet gemeinsam mit der Sensorkinase PhoR ein Zwei-Komponenten-System, das die Phosphataufnahme der Zelle reguliert. Phosphatmangelbedingungen stimulieren die Expression und Aktivierung von PhoB sowie die Produktion von Pyocyanin und Rhamnolipid. Alkylquinolone wirken ebenfalls positiv auf die Synthese von Pyocyanin und Rhamnolipid, und es besteht die Möglichkeit, dass PhoB außer mit PhoR noch mit weiteren Sensorkinasen interagiert. Basierend auf diesen Fakten wird die Hypothese aufgestellt, das die durch Alkylquinolone induzierte Signalübertragung über ein Zwei-Komponenten-System erfolgt, wobei es sich bei PhoB um den Response Regulator handeln könnte, der die Wirkung der Alkylquinolone auf die Bakterienzelle vermittelt.

Quote

Citation style:

Löns, Dagmar: Untersuchung der durch Alkylquinolone induzierten Signalübertragung im Rahmen der interbakteriellen Kommunikation bei Pseudomonas aeruginosa. Hannover 2004. Tierärztliche Hochschule.

Rights

Use and reproduction:
All rights reserved

Export