Initiation der bakteriellen Typ IV Sekretion

Bakterielle Typ IV Sekretionssysteme (T4SS) ermöglichen den Austausch von Makromolekülen zwischen unterschiedlichen Zellen, wie z.B. den Transfer von DNA zwischen Bakterienzellen oder die Übertragung von Virulenzproteinen von Mikroorganismen oder Viren in humane, tierische oder pflanzliche Zellen. T4SS haben große medizinische Relevanz, weil dadurch die Fähigkeit zur Antibiotikaresistenz, der erhöhten Adhäsionsfähigkeit, und der Bildung von Biofilmen zwischen Bakterienzellen ausgetauscht werden kann und damit deren Pathogenität erhöht wird. T4SS sind komplizierte Multiproteinkomplexe, die einen Membrankanal bilden und physikalisch an Zielzellen "andocken". Zu transportierende Substrate werden durch ein Rezeptorprotein (type IV coupling protein, T4CP) erkannt, das die Inititation des Transfers einleitet. Nach den derzeit gängigen Vorstellungen wirken T4CPs als molekulare "Pumpen", die energieabhängig Proteine und DNA Moleküle durch den Sekretionskanal transportieren können. Die molekularen Signale und Vorgänge zur Bildung des T4CP/Substrat Komplexes sowie des Eintritts des Substrates in den Sekretionskanal sind nicht bekannt. Das beantragte Projekt befasst sich mit der Aufklärung der intrazellulären Lokalisation und räumlichen Koordination von T4 Substraten und Komponenten um die frühen Schritte der Initiationskaskade der bakteriellen Konjugation zu verstehen. Virale Infektion von Bakterien dient uns dabei als Modell. Diese Infektion ist abhängig vom T4SS aber benötigt eine geringfügig andere Zusammensetzung von Proteinen als die Konjugation. Dadurch konnten wir zeigen dass Proteine des R1 DNA Segregationssystems funktionell in die T4 Initiationskaskade integriert sind. Obwohl R1 momentan das am besten charakterisierte DNA Segregationssystem darstellt blieb diese Verbindung zur bakteriellen Konjugation bisher unentdeckt. Diese Entdeckung eröffnet uns somit neue Möglichkeiten die regulatorischen Einflüsse der Segregationsproteine auf die T4 Inititationskaskade zu untersuchen. Kombination unseres detaillierten biochemischen Wissens über das Relaxosome und des T4CP mit den neuesten molekularbiologischen Techniken auf dem Gebiet der R1 DNA Segregation sollen ein detailliertes Bild über diese funktionelle Verbindung liefern. Zusätzlich soll mittels Fluoreszensmikroskopie untersucht werden ob das R1 Segregationssystem auch an der intrazellulären Lokalisation und Fortbewegung der T4 Komponenten involviert ist.

Einer der Gründe das Bakterien zunehmend Resistenz gegenüber Antibiotika aufweisen, ist das sie fähig sind Gene, inklusive die jenige, die zu Antibiotikaresistenz führen unter einander auszutauschen. Um das Gentransfer durchzuführen bilden die Bakterien eine über die Zellmembranen herausragende Nadelstruktur. In den Donorbakterien wird auch einen Komplex von Proteinen gebildet um spezifische Gene für deren Übertragung an eine andere Zelle vorbereitet. In dieses von FWF finanzierten Forschungsprojekt wurde die Aktivität, die zelluläre Zuteilung, und die Regulation eines Schlüsselenzyms, die Relaxase, untersucht. Die jüngsten Beobachtungen von Zechner und Kollegen erschienen im Fachblatt Cell: Sie konnten erstmals den molekularen Aufbau eine Relaxase in einen Komplex mit ihrem genetischen Fracht, die DNA, beschreiben. Die nun erstmals entschlüsselte dreidimensionale Struktur des Enzyms gibt völlig neue Hinweisen zu den vielfältige Funktionen des Enzyms, und auch, zu den mechanistischen Ablauf des Gentransfers. Das detaillierte Wissen könnte die Grundlage dafür bilden, diesen Prozeß und damit auch den steigenden Resistenz gegenüber Antibiotika unter bakterieller Krankheitserreger, mit noch zu entwickelnden Wirkstoffen zu hemmen.