Stress und Regulation der Konjugation in Bakterien

Horizontaler DNA Transfer von konjugativen Plasmiden ist hauptverantwortlich für die Verbreitung von Antibiotika - Resistenzgenen in Bakterienpopulationen. Die Assemblierung des dafür notwendigen Transportsystems und der DNA Transferprozess selbst werden einerseits durch plasmid-kodierte und andererseits durch wirts-kodierte Faktoren reguliert. Unsere Daten weisen darauf hin, dass die Transkription der Transfer Gene und die Assemblierung des Transporters eine Form von Stress auf die Bakterien ausüben. Diese Stress Signale in der Zellhülle werden möglicherweise einerseits durch das Cpx Zwei-Komponenten System und andererseits durch ECF (extracytoplasmic function) Sigma Faktoren erkannt. In unserem Modell führt die Aktivierung dieser zwei Systeme zu einer Stressantwort, die der der klassischen Hitzeschockantwort ähnelt. Die Resultate von bisher durchgeführten Experimenten bestätigen dieses Modell. Darüber hinaus führt eine Mutation im groEL Gen zu einer Deregulation der Expression der tra Gene, was zur Folge hat, dass die Zellen lysieren. Unser Ziel ist es aufzuklären, über welche Faktoren die Stressantwort ausgelöst wird und welche wirts-kodierten Faktoren in weiterer Folge eine Rolle bei der Regulation der tra Genexpression spielen. Mittels Genomanalysen und Expressionsprofilen (mRNA Niveaus, Proteinniveaus und -syntheseraten) von Wildtyp E. coli Stämmen und entsprechenden Mutanten mit und ohne konjugativem Plasmid sollen neue Einblicke erhalten werden, wie es Bakterien möglich ist die Transfereffizienz zu maximieren ohne selbst dabei Schaden zu nehmen. Die erwarteten Resultate des Forschungsprojektes werden es erlauben, Strategien und Ziele für neue Wirkstoffe zu entwickeln, die der Ausbreitung von Antibiotikaresistenzen und der Pathogenität von Mikroorganismen entgegenwirken können.

Im Forschungsprojekt "Stress und Regulation der Konjugation in Bakterien" befaßten wir uns mit der Frage, ob Bakterien, die sogenannte Typ IV Sekretionssysteme besitzen in besonderer Art und Weise auf diese reagieren. Typ IV Sekretionssysteme sind für pathogene Bakterien wichtige "Waffen" mit deren Hilfe sie gezielt Substratmoleküle wie DNA oder Proteine in andere Zellen übertragen können. Durch die Übertragung über Typ IV Sekretionssysteme können Antibiotikaresistenzgene in einer Population von Krankheitserregern verbreitet werden, es können Virulenzfaktoren und Toxine sekretiert werden, es kann aber auch Tumorwachstum in Pflanzen hervorgerufen werden. Da die Assemblierung dieser komplexen Protein-Maschinen in der Zellhülle der Bakterien erfolgt, war es wichtig herauszufinden, ob die Bakterienzellen bei der Assemblierung einem besonderen zellulären Stress ausgesetzt sind. Stress-Netzwerke erlauben es den Bakterien auf besondere Situationen wie erhöhte Temperaturen oder Nahrungsmangel durch eine genetische Reprogrammierung zu reagieren. Besonders wichtig sind dabei besondere Transkriptionsfaktoren, sogenannte Sigma-Faktoren, die die Aktivitäten von ganzen Gengruppen übergeordnet steuern können. Daneben gibt es auch sogenannte Zweikomponentensysteme, die ein bestimmtes Signal in der Zelle oder aus der Umwelt wahrnehmen können und es den Bakterien ermöglichen, darauf zu reagieren. Die wichtigste Erkenntnis aus dem Forschungsprojekt läßt sich unter dem Schlagwort "Sex ist Stress" zusammenfassen. Wir konnten zeigen, daß Bakterien, die ihre Gene in andere Bakterien oder Pflanzen übertragen und dazu ein Typ IV Sekretionssystem in ihre Zellhülle einbauen, darauf mit der Aktivierung eines Zweikomponentensystems und eines Sigma-Faktors reagieren. Dies hat einerseits für die Zellen eine protektive Wirkung, auf der anderen Seite wird dadurch über eine negative Rückkopplung die Expression der Typ IV Sekretionsgene wieder reduziert. Wir konnten auch zeigen, daß Stress (in unserem Fall ein Hitzeschock) den DNA- Transfer über das Typ IV Sekretionssystem verhindert - Stress verhindert also Sex (bei Bakterien). Dieser Befund könnte zu neuen Methoden führen, die die Ausbreitung von Antibiotikaresitenzen verhindern oder aber auch neue Strategien für die Entwicklung von anti-infektiven Substanzen ermöglichen.