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«Analyse der kodierenden Nukleotidsequenz des 1 Megadalton extracellular matrix binding proteins von Staphylococcus epidermidis Dissertation zur ...»

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Eine wichtige Frage ist, welche strukturellen Determinanten die interzelluläre, adhäsive Funktion von Embp bestimmen. Die Analyse der abgeleiteten Aminosäuresequenz zeigt, dass es sich bei Embp um ein hochgradig, modular aufgebautes Protein handelt. Neben einem N-terminal lokalisierten Exportsignal wird die Domänenstruktur vor allem durch so genannte FIVAR- und GA-Domänen bestimmt. Der Nachweis von diesen Domänen ist der erste Anhalt dafür, dass diese neben einer Fibronectin-bindenden Aktivität auch an der Interaktion von Oberflächen-assoziierten Proteinen mit der Bakterienoberfläche beteiligt sein könnten. Bisher wurden FIVAR-Domänen im Zellwand-assoziierten FmtB Protein von S. aureus (Komatsuzawa et al., 2000) und in der Gellan-Lyase von Bacillus sp.

(Hashimoto et al., 1998) beschrieben. Hier sollen sie an der Bindung an NAcetyglucosamin beteiligt sein. GA-Domänen konnten in den Oberflächenproteinen PAB von Finegoldia magna und im G Protein von G-Streptokokken nachgewiesen werden (Lejon et al., 2004). Im Oberflächenprotein A (SpA) von S. aureus vermitteln GADomänen die Bindung an das Immunglobulin G (Graille et al., 2000). Hinweise auf die funktionelle Bedeutung der FIVAR- und GA-Domänen für die Embp-vermittelte Biofilmbildung wurden durch Untersuchungen belegt, bei welchen Antiseren in Biofilminhibitionsexperimenten eingesetzt wurden. Hierbei zeigte sich, dass spezifische anti-Embp-Kaninchenantiseren die Biofilmbildung von S. epidermidis 1585-Ra spezifisch hemmen können (Christner et al., 2009). Zudem konnte durch Zugabe eines rekombinant exprimierten Embp-Fragments, welches aus FIVAR- und GA-Domänen besteht, bei biofilmnegativen S. epidermidis Wildtypstämmen ein biofilmpositiver Phänotyp induziert werden (Christner et al., 2009). Im Gegensatz dazu konnte unter Verwendung eines rekombinanten Embp-Fragments, welches nur aus FIVAR-Domänen besteht, keine 4 Diskussion 56 Biofilmbildung induziert werden (Christner et al., 2009). Somit wird deutlich, dass für die interzellulär adhäsive Funktion von Embp offensichtlich die Kombination von FIVARund GA-Domänen notwendig ist. Zusätzlich kann nicht ausgeschlossen werden, dass auch die am C-terminalen Ende von Embp lokalisierten DUF1542-Domänen sowie die Transmembrandomäne eine funktionelle Bedeutung für die interzellulär adhäsive Funktion von Embp aufweisen (Christner et al., 2009).

Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass bakterielle Ribosomen maximal 40 Peptidbindungen pro Sekunde synthetisieren können (Watson et al., 1987), kann daraus abgeleitet werden, dass S. epidermidis zur Synthese von Volllängen-Embp etwa 4 min benötigt. Da die Generationszeit von S. epidermidis unter in vitro Kulturbedingungen etwa 15 min. beträgt, ist es auf Grund des sehr hohen Energieaufwandes unwahrscheinlich, dass Embp unter solchen Bedingungen synthetisiert wird. Vielmehr ist zu erwarten, dass die Synthese vor allem unter Bedingungen verlängerter Generationszeiten stattfindet. Diese Situation ist gerade in vivo, zum einen im Rahmen der S. epidermidis Kolonisation von Haut und Schleimhäuten, aber auch gerade im Rahmen einer Fremdkörper-assoziierten Infektion zu erwarten. Gerade hier ist die Aufrechterhaltung eines optimalen Mikromilieus zum Beispiel durch Biofilmbildung bei ansonsten suboptimalen Umgebungsbedingungen, von großem Wert für den Erreger (Reva und Tümmler, 2007). Riesenproteine wie Embp scheinen trotz ihrer kostspieligen Synthese hierbei von großem Nutzen zu sein. Dies wird unter anderem auch dadurch unterstrichen, dass Embp in Populationen, kommensaler wie auch invasiver S. epidermidis Stämme in über 90 % aller Fälle nachgewiesen werden konnte (Rohde et al., 2004; Rohde et al., 2007).

Hieraus ergibt sich, dass der Befund einer fehlenden Embp-Bildung von S. epidermidis 1585 unter in vitro Kulturbedingungen nicht als sehr ungewöhnlich erscheint. Ein ähnlich niedriges embp-Expressionsniveau konnte bei S. epidermidis 1457 und bei 20 weiteren, genetisch unabhängigen S. epidermidis Stämmen festgestellt worden (Rohde, nicht publizierte Daten). Die geringe embp-Transkriptionsrate könnte ein Grund dafür sein, dass embp bis heute nicht als interzelluläres Adhäsin identifiziert werden konnte. Weitere Untersuchungen zeigten, das embp in S. epidermidis 0-47 nur in Anwesenheit von Kaninchenserum exprimiert werden kann, was bedeuten könnte, dass die Expression vor allem in vivo stattfindet (Sellmann et al., 2005). Tatsächlich konnte die embp-Expression weder durch Wachstum in TSB-Brühe supplementiert mit NaCl, Ethanol noch 4 Diskussion 57 subinhibitorischen Antibiotikakonzentrationen, jedoch durch Wachstum in Kaninchen- und Ziegenserum induziert werden (Christner, Rohde, nicht publizierte Daten). Im Gegensatz zu dem Wildtypstamm produziert S. epidermidis 1585-Ra spontan Embp in großen Mengen (Christner et al., 2009). Der S. epidermidis Stamm 1585-Ra war durch Passage und Selektion Oberflächen-adhärenter Zellen isoliert worden (Christner et al., 2009). In letzter Konsequenz beruht die Erzeugung von S. epidermidis 1585-Ra also auf der S. epidermidis inhärenten genetischen Flexibilität, die letztlich zur Entstehung einer adhärenten, biofilmpositiven Subpopulation des biofilmnegativen Ausgangsstamms führte.

Bei S. epidermidis 1585-Ra ist embp im Vergleich zum Wildtypstamm 1585 um den Faktor 123 heraufreguliert (Christner et al., 2009). Somit muss es im Rahmen der kulturellen Passage von S. epidermidis 1585 zu genetischen Ereignissen gekommen sein, die letztlich zu einer stärkeren Expression von embp geführt haben.





Die genetische Flexibilität von Bakterien beruht auf unterschiedlichen Mechanismen (Hallet et al., 2001). Zum einen kann die Genexpression durch Punktmutationen, zum Beispiel in Promoterstrukturen oder Transkriptionsfaktoren, modifiziert werden. Des Weiteren ist es bekannt, dass bei Staphylokokken durch Insertion oder Exzision von beweglichen genetischen Elementen die Genexpression moduliert werden kann (Ziebuhr et al., 1999; Conlon et al., 2004; Handke et al., 2004; Ziebuhr et al., 2006). Auch kann es zu größeren chromosomalen Deletionen kommen (Cho et al., 2002; Nuryastuti et al., 2008).

Um die strukturelle Ursache für die embp-Überexpression in S. epidermidis 1585-Ra zu identifizieren, wurde das embp-Allel dieses Stammes sowie der flankierenden chromosomalen Abschnitte inklusive der putativen Promoterstrukturen durch Sequenzierung näher untersucht. Hierdurch konnte gezeigt werden, dass die der kodierenden Sequenzen von embp vorgelagerten Sequenzen keine Unterschiede im Vergleich zum Wildtyp aufwiesen. Daher erscheint es unwahrscheinlich, dass mögliche Punktmutationen eine verstärkte Aktivität des embp-Promoters verursacht haben könnten.

Das Vorkommen größerer struktureller Veränderungen von embp wurde orientierend durch long range PCR unter Verwendung von sich überlappenden Primerpaaren untersucht. Es zeigte sich, dass unter Verwendung der Primer embp_12847for und embp_19104rev bei S.°epidermidis 1585 ein Fragment mit der erwarteten Größe amplifiziert werden konnte, während dies bei S. epidermidis 1585-Ra nicht der Fall war. Hieraus ergibt sich ein erster Hinweis darauf, dass es in der Embp-kodierenden Sequenz zu einer größeren Modifikation 4 Diskussion 58 gekommen sein könnte. Unterstützt wird diese Annahme durch Ergebnisse von Transkriptionsuntersuchungen mittels quantitativer real time PCR, die eine Heraufregulation von embp nur unter Verwendung von im distalen Drittel von embp lokalisierten Primern zeigten (Christner et al., 2009). Zusätzlich war bei der Analyse von Zelloberflächen-assoziierten Proteinen des Stamms S. epidermidis 1585-Ra aufgefallen, dass Embp in der Höhe der 420 kDa Markerbande wanderte, also erheblich kleiner war, als das eigentlich zu erwartende Protein (Christner et al., 2009). Diese Befunde führten zu der Hypothese, dass embp in S. epidermidis 1585-Ra in zwei unabhängigen offenen Leserahmen transkribiert wird. Um diese Hypothese zu prüfen, sollte durch 5´RACE der Start des embp-Transkripts in S. epidermidis 1585-Ra dargestellt werden.

Diese Analyse ergab, dass in S. epidermidis 1585-Ra embp an Position des Nukleotids nt 18213 in frame mit den ersten 461 bp der MsrR-kodierenden Sequenz fusioniert vorliegt.

Vor dem msrR-embp-Hybridgen fand sich der putative msrR-Promotor sowie die Gene msrA und fmtC. Offensichtlich ist es also im Rahmen der Passage von S. epidermidis 1585 zu einer Insertion chromosomaler DNA in die Embp-kodierende Sequenz gekommen. Dies führt wie angenommen zu einer Teilung des 30612 bp großen offenen Leserahmens von embp in zwei unabhängig zu transkribierende, offene Leserahmen, die mit embpB (embp nt 1 - 17743) und embpA(embp nt 18213 – 30612) benannt wurden. Diese Nomenklatur geht auf die Beschreibung des in S. aureus gefundenen embp-Homologs ebh zurück. Ebh liegt bei manchen S. aureus Stämmen natürlicher Weise in zwei getrennten offenen Leserahmen vor, die als ebhB und ebhA gekennzeichnet werden (Foster et al., 2002). Die genauen molekularen Mechanismen, die letztlich zu der Insertion in embp des Stamms 1585 geführt haben, sowie die genaue Größe und Aufbau dieser Insertion konnte in der vorliegenden Arbeit nicht geklärt werden, da es nicht gelungen ist, den Übergang zwischen embpNukleotid 17743 und der embp-Insertion zu amplifizieren und einer Sequenzanalyse zuzuführen. Wesentlich ist jedoch, dass die hier vorgestellten Untersuchungen zeigen, dass in S. epidermidis 1585-Ra ein msrR-embp-Hybridgen vorliegt, welches sich unter der Kontrolle des natürlichen msrR-Promoters befindet. In S. aureus kodiert msrR für einen Zelloberflächen-assoziierten Transkriptionsregulator, der die phänotypische Ausprägung der Resistenz von S. aureus gegenüber Teicoplanin und Meticillin beeinflusst (Rossi et al., 2003). MsrR wird vor allem in der expotentiellen Phase exprimiert (Rossi et al., 2003). Da bei S. epidermidis 1585-Ra die embp-Expression in der mittleren expotentiellen Phase 4 Diskussion 59 besonders stark ist, jedoch kaum eine Transkription in der späteren Wachstumsphasen nachgewiesen werden kann (Christner et al., 2009), ist es naheliegend, dass das msrRembp-Hybridgen tatsächlich unter der Kontrolle des msrR-Promoters exprimiert wird.

Hierfür spricht auch die Tatsache, dass die abgeleitete Größe der msrR-embpHybridgenprodukts mit 463 kDa der beobachteten Größe von Embp im SDS-PAGE entspricht (Christner et al., 2009).

Im Hinblick auf den biofilmpositiven Phänotyp von S. epidermidis 1585-Ra bleibt offen, welche Bedeutung die Verkürzung von msrR für die Embp-vermittelte S. epidermidis Biofimbildung besitzt. Es kann nicht ausgeschlossen werden, dass der stark biofilmpositive Phänotyp dieses Stamms auch im Zusammenhang mit dieser genetischen Veränderung im funktionellen Zusammenhang steht. Kürzlich konnte jedoch nachgewiesen werden, dass die Mutante 1585Pxyl/tetembp, bei welcher embp unter der Kontrolle durch einen durch Tetracyclin steuerbaren Promoter vorliegt, unter embp-induzierenden Kulturbedingungen einen Biofilm ausbildet (Christner et al., 2009). Dies beweist, dass Embp auch unabhängig von der in S. epidermidis 1585-Ra vorliegenden msrR-Verkürzung als interzelluläres Adhäsin Biofilmbildung vermittelt. Vor diesem Hintergrund kann der S. epidermidis Stamm 1585-Ra durchaus weiterhin als ein stabiler Embp-überexprimierender Modellorganismus betrachtet werden, der geeignet ist, prototypisch die Funktion von Embp bei der S. epidermidis Biofilmbildung zu studieren.

Es kann also festgestellt werden, dass die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen eine plausible molekulare Erklärung für die embp-Überexpression des biofilmpositiven S.°epidermidis Stamms 1585-Ra liefern. Durch die embpSequenzanalysen ergeben sich erstmalig direkte Hinweise auf mögliche strukturelle Determinanten der interzellulären, adhäsiven Funktion von Embp. Die weitere Analyse der Funktion und Bedeutung von Embp bei der S. epidermidis Biofilmbildung wird eine wichtige Aufgabe in der Zukunft sein. Es ist zu erwarten, dass hierdurch ein vertieftes molekulares Verständnis der Fähigkeit von S. epidermidis, natürliche wie auch künstliche Oberflächen zu besiedeln, resultieren wird. Dies ist die unabdingbare Voraussetzung für verbesserte präventive, therapeutische und auch diagnostische Möglichkeiten im Kontext von Fremdkörper-assoziierten S. epidermidis Infektionen.

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