Hypervariable genetische Hotspots in Listeria monocytogenes

Listeria (L.) monocytogenes ist ein lebensmittelassozierter Krankheitserreger, der Listeriosis, eine seltene aber schwerwiegende Infektionskrankheit bei Mensch und Tier, verursacht. Listerien sind sehr stress resistent und können daher in den verschiedensten Umfelder überleben z.B. im lebensmittelproduzierenden Betriebsumfeld. Genomanalysen zeigten, dass Listerien sogenannte hyervariable genetische Hotspots besitzen, in denen sich Gene befinden, die unter anderem einen Überlebungsvorteil unter extremen Stressbedingungen ermöglichen. Die Funktion der meisten dieser Gene ist jedoch unbekannt. Der Fokus dieses Projektes liegt auf dem hypervariablen Hotspot lmo0443-lmo0449, der drei verschiedene Insertionen besitzt: die Stress-Survival-Insel SSI-1; die beiden Gene lin0464 und lin0465; die ursprünglich von L. innocua einer apathogenen Listerienspezies stammen; und Homologe von LMOf2365_0481. Die Stress-Survival Insel enthält fünf Gene, die eine essentielle Rolle im Überleben von L. monocytogenes unter Salz-, Säure-, Gallen- und gastrischen Stressbedingungen spielen. LMOf2365_0481 besitzt eine Domäne unbekannter Funktion, welche oft an Nukleinsäure- assoziierten Domänen bindet; und lin0464 und lin0465 sind ein putativer Transkriptionsregulator bzw. eine intrazelluläre PfpI Protease, deren Funktion noch unerforscht ist. Vorversuche zeigten, dass Lin0465 essentiell für das Überleben unter oxidativen und alkalinen Bedingungen (aber nicht unter Säure- und Salzstress) involviert ist und zusätzlich eine Rolle in der Virulenz spielt. Unsere Hypothese ist, dass die verschiedenen Insertionen des genetischen Hotspots lmo0443-lmo0449 das Überleben von Listerien unter den verschiedensten Stressbedingungen ermöglichen und dadurch eine Adaption in diversen Umfeldern begünstigen. Um unsere Hypothese zu testen werden wir i) die Funktion der putativen PfpI Protease Lin0465 in der spezifischen Stressantwort, Biofilmbildung, Virulenz und Pathogenität charakterisieren, ii) die Rolle dieser Protease im Recycling von defekten und falschgefalteten Proteinen untersuchen und iii) feststellen, ob Lin0464 die Transkription von lin0465 reguliert und lin0464/lin0465 somit eine funktionelle Einheit bilden. Weiteres werden wir überprüfen ob LMOf2365_0481 in die Regulation von Genen, welche in der spezifischen Stressantwort eine Rolle spielen, involviert ist. Dafür planen wir das Transkriptome des Wildtypstammes mit dem der LMOf2365_0481 Deletionsmutante unter Stressbedingungen zu vergleichen. Zusätzlich werden wir weitere 500 L. monocytogenes Stämme mittels PCR screenen, um neue lmo0443-lmo0449 Insertionen zu entdecken. Zusammenfassend wird dieses Projekt die Funktion des hypervariablen genetischen Hotspots lmo0443-lmo0449 im Überleben unter extremen Stressbedingungen und in der Virulenz bzw. Pathogenität von Listerien aufklären und somit dazu beitragen die Überlebungsstrategie, Adaption und Persistence von L. monocytogenes zu entschlüsseln.

Listerien (Listeria monocytogenes) sind Lebensmittelpathogene, Krankheitserreger, die in der Lebensmittel- produzierenden Betrieben und auch im Lebensmittel überleben und sich vermehren können. Die Hygienestandards in der Lebensmittelproduktion sind dementsprechend hoch. Listerien sind jedoch bekannt dafür, dass sie in Umweltnischen überleben können, in denen andere Mikroorganismen und Lebewesen nicht lebensfähig wären. Der Schlüssel ist die Anpassungs- und Widerstandsfähigkeit des Bakteriums in Stresssituationen. Durch genetische Mechanismen kann Listeria (L.) monocytogenes auf die Auswirkungen von Stress z.B. ausgelöst durch Putz- oder Desinfektionsmitteln reagieren und sie abblocken. In sogenannten hypervariablen, also leicht veränderlichen Region des Genoms, haben sich Listerien solche genetischen Hilfswerke angeeignet. In diesem Projekt untersuchten wir die Funktion eines solchen hypervariablen genetischen Hotspots. Wir identifizierten eine neue Stressüberlebensinsel, die sogenannte stress survival islet 2, welche aus zwei aneinander gekoppelten Gensequenzen besteht und Listerien das Überleben trotz der Hygienestandards in Lebensmittelproduktionen sichert. Die beiden Gene und die Proteine, die sie kodieren, sind exklusiv bei basischem und oxidativem Stress aktiv. Wir konnten beiden Genen eine Funktion zuordnen. Eines ist ein Transkriptionsregulator, also ein Faktor, der in bestimmten Situationen die Häufigkeit und Aktivität eines anderen Proteins bestimmt. Das zweite ist eine Protease, ein Enzym, das andere Eiweißstoffe spalten kann. Proteasen bauen z.B. falschgefaltete Eiweißstoffe ab, welche durch Stress entstehen. Wenn der Regulator nicht funktioniert, gibt es keine Protease. Ohne die Protease kann L. monocytogenes oxidativen und basischem Stress nicht kompensieren. Diese Stressüberlebensinsel kommt nur bei Bakterien vor, die sich auf Lebensmittel und die Produktionseinheiten spezialisiert haben Sie scheint demnach nischenspezifisch zu sein. Wir konnten einen Genomtyp identifizieren, bei dem sie immer vorhanden ist. Dieser Sequenztyp, ST121, wird fast ausschließlich auf Lebensmitteln oder im Produktionsumfeld gefunden und kaum in klinischen Isolaten. Durch genauere Genomaanalysen dieses Sequenztypes konnten wir noch weitere genetische Merkmale finden, welche Listerien helfen im Lebensmittelumfeld zu überleben. Kennt man die genetischen Mechanismen, kann man neue Strategien für die Lebensmittelsicherheit entwickeln.