Kleine Proteine und RNAs in der Antibiotika Empfindlichkeit

Multi-resistente pathogene Bakterien führen häufig zu Infektionen bei medizinischen Behandlungen oder bei Krankenhausaufenthalten. Das opportunistische Bakterium Pseudomonas aeruginosa (Pae) tritt weltweit bei etwa 10% dieser Infektionen auf. Bei immun-defizienten Personen oder bei Patienten, die unter cystischer Fibrose leiden, kann Pae zu schweren Krankheitsverläufen oder zum Tod führen. Die Pathogenizität von Pae wird zunehmend begleitet von einer hohen Resistenz gegen eine Vielzahl von medizinisch benutzten Antibiotika. Oft bleiben nur Antibiotika aus den Klassen der Polymyxine und Aminoglycoside als letztmögliche Therapeutika gegen Pae Infektionen. Obwohl eine Reihe von Resistenzmechanismen gegen diese Klassen von Antibiotika bekannt ist, ist es angebracht mögliche weitere Resistenzmechanismen auf molekularer Ebene zu ergründen, um neue Strategien gegen Pae Infektionen zu finden. Im Rahmen unserer vorangegangenen Studien haben wir kleine regulatorische RNAs, sowie kleine Proteine identifiziert, die die Empfindlichkeit gegen das Polymyxin Colistin und das Aminoglycosid Tobramycin beeinflussen. Das Hauptziel der projektierten Arbeiten ist die Aufdeckung der molekularen Wirkungsweise dieser potenziellen Regulatoren. Die Studien zur Aufdeckung der Funktion der regulatorischen RNAs könnten einerseits zu einem besseren Verständnis der Regulation bereits bekannter Determinanten oder zur Aufdeckung bisher unbekannter Wege führen, die zur Resistenz / Sensitivität gegenüber Colistin / Tobramycin beitragen. Andererseits erwarten wir, dass die Studien zur Funktionsweise der kleinen Proteine neue Mechanismen aufdecken, die an der Resistenz / Sensitivität gegenüber diesen Antibiotika beteiligt sind.

Hintergrund: Multi-resistente pathogene Bakterien führen häufig zu Infektionen bei medizinischen Behandlungen oder bei Krankenhausaufenthalten. Pseudomonas aeruginosa (Pae) tritt weltweit bei etwa 10% dieser Infektionen auf. Die Pathogenizität von Pae ist begleitet von einer hohen Resistenz gegen eine Vielzahl von Antibiotika. Oft verbleiben nur Antibiotika aus den Klassen der Polymyxine und Aminoglycoside als letztmögliche Therapie gegen Pae Infektionen. Obwohl eine Reihe von Resistenzmechanismen gegen diese Klassen von Antibiotika bekannt ist, ist es angebracht mögliche weitere Resistenzmechanismen auf molekularer Ebene zu ergründen, um neue Strategien gegen Pae Infektionen zu finden. Im Rahmen unserer Studien haben wir kleine regulatorische RNAs (sRNA), sowie kleine Proteine identifiziert, die die Empfindlichkeit gegen das Polymyxin Colistin und das Aminoglycosid Tobramycin beeinflussen. Das Hauptziel der projektierten Arbeiten war die Aufdeckung der molekularen Wirkungsweise solcher potenzieller "Regulatoren". Ergebnisse: Im Rahmen dieser Studien haben wir versucht, Gene oder Regulationswege aufzudecken, die von 2 sRNAs , IGR4759 und IGR4737, reguliert werden. Die Deletion des IGR4759 Gens resultierte in einer höheren Empfindlichkeit gegenüber Colistin, während die Deletion des IGR4737 Gens zu einer geringeren Persistenz in Gegenwart von hohen Dosen Tobramycin führte. Vergleichende Transkriptomanalysen ergaben, dass IGR4759 der Colistin-induzierten Produktion von reaktiven Sauerstoffmolekülen entgegenwirkt, indem die Synthese von Enzymen stimuliert wird, die Wasserstoffperoxid detoxifizieren. Diese Studien ergaben weiters, dass IGR4737 die Expression von Genen/Funktionen herunterreguliert, die für die Assemblierung von Pili und Fimbrien notwendig sind. Da Pili und Fimbrien in Zusammenhang mit der Aufnahme von Antibiotika stehen, könnte IGR4373 in die Aufnahme von Tobramycin involviert sein. In Pae wird das aus 37 Aminosäuren bestehende kleine Protein PhrS-P von der sRNA PhrS kodiert. Die Synthese von PhrS-P war in Gegenwart von Tobramycin dereguliert und PhrS-P defiziente Mutanten zeigten eine höhere Sensitivität gegenüber dem Antibiotikum. In vivo Co-Purifikationsexperimente und anschließende Massenspektrometrie identifizierten die Kinase AmgS des AmgRS 2-Komponentensystems als Interaktionspartner von PhrS-P. AmgS wird durch Membranperturbationen, hervorgerufen durch fehlerhaft synthetisierte Peptide, aktiviert. Hierdurch wird AmgR aktiviert und in weiterer Folge Proteasen, welche wiederum die Synthesis der Effluxpumpe MexXY-OprM stimulieren. MexXY-OprM ist an der Ausschleusung von Aminoglycosiden aus der Zelle beteiligt und beeinflusst dadurch die Empfindlichkeit gegenüber diesen Antibiotika. Unsere weiterführenden Studien ergaben, dass PhrS-P das 2-Komponentensystem AmgR/S stimuliert, was wiederum die erhöhte Empfänglichkeit der PhrS-P defizienten Mutante gegenüber Tobramycin erklärt. Im Rahmen dieser Studien konnte somit ein neuer Mechanismus zur Resistenz / Sensitivität gegenüber Aminoglycosiden in Pae aufgeklärt werden.