Einfluss des Pseudomonas Quinolon Signals auf die interbakterielle Kommunikation von Pseudomonas aeruginosa

Bredenbruch, Florian

Die Produktion der meisten Virulenzfaktoren und die Ausbildung von Biofilmen werden von P. aeruginosa über 2 Quorum Sensing (QS) Systeme durch Homoserinlakton-Signalmoleküle reguliert. Kürzlich wurde ein drittes bakterielles Signalmolekül, das Pseudomonas Quinolon Signal (PQS), identifiziert, welches einen Teil der durch QS regulierten Gene positiv beeinflusst. In dieser Arbeit wurde der Biosyntheseweg von 4-Hydroxy-2-alkylquinolinen (HAQs) mit Hilfe von Fütterung stabil-markierter Vorstufen und anschließender Analyse der HAQ Extrakte mit GC/MS und NMR aufgeklärt. Außerdem wurde der Einfluss von PQS auf PAO1 mit Hilfe von Transkriptionsanalysen untersucht. Das durch die exogene Zugabe von PQS hervorgerufenen Transkriptionsprofil zeigte eine Induktion von Genen, die zu den Gruppen der eisenregulierten Gene und den Genen, die durch oxidativen Stress reguliert werden, gehören. Bemerkenswerterweise konnten nicht nur die meisten der regulierten Gene, sondern auch die Induktion einer transkriptionellen lacZ-Fusion mit der Promotorregion von rhlR auf einen starken eisenbindenden Effekt von PQS zurückgeführt werden. Nichtsdestotrotz gibt es PQS spezifische Effekte, die unabhängig von dem Eisenhaushalt sind. Darüber hinaus konnten wir zeigen, dass PQS scheinbar die benachbarten P. aeruginosa Zellen angreift, indem es direkt auf die bakterielle DNA wirkt. Als Konsequenz daraus reichern sich große Mengen extrazellulärer DNA in Biofimkulturen an. Die Opferung eines Teils der Population scheint aber das Überleben der Bakterien unter sich ändernden Umweltbedingungen zu sichern. Ein horizontale Gentransfer könnte dabei z.B. die genetischen Veränderungen, die mit sexueller Reproduktion der normalerweise klonalen Lebensweise der Bakterien nicht erreicht werden, kompensieren. Von einem evolutionären Standpunkt aus betrachtet offenbaren diese Ergebnisse eine außergewöhnliche Bedeutung der natürlichen Transformierbarkeit und macht das Phänomen zu einem medizinisch relevanten Thema.

Virulence factor production and the development of biofilms in Pseudomonas aeruginosa have been shown to be regulated by 2 quorum sensing (QS) systems via small acyl-homoserine lactone (AHL) signal molecules. Recently, a third bacterial signal molecule, the Pseudomonas quinolone signal (PQS), has been identified, which regulates a subset of genes dependent on the QS systems. In this study we have unraveled the biosynthetic pathway of HAQs by analysing extracted HAQs by GC/MS and NMR spectroscopy in feeding experiments with isotope labeled precursors. Moreover, we evaluated the impact of PQS on the QS circuitry using transcriptome analysis of PAO1 cultures supplemented with PQS. The global transcriptional profile in response to PQS revealed a marked up-regulation of genes belonging to the tightly interdependent functional groups of iron acquisition and oxidative stress response. Remarkably, not only most of the differentially regulated genes but also the induction of a lacZ transcriptional fusion of rhlR could be traced back to a iron chelating effect of PQS. Nevertheless, although iron deficiency induced rhlR, there are PQS specific effects that are independent of the PQS effect on iron homeostasis. Moreover we could show that PQS seems to be capable of attacking neighbouring P. aeruginosa cells by directly targeting bacterial DNA. As a result large amounts of extracellular DNA accumulate in biofilm cultures and obviously serve as a genetic pool for horizontal gene transfer. This way the self-sacrificing of parts of the population promotes genetic variability of survivors providing the bacterial population with an evolutionary advantage under changing environmental conditions and compensating for the otherwise clonal mode of prokaryotic life where genetic innovation cannot be archived by sexual reproduction. From an evolutionary perspective this finding adds a new dimension to natural genetic transformation and makes this phenomenon a medical significant event.

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Bredenbruch, Florian: Einfluss des Pseudomonas Quinolon Signals auf die interbakterielle Kommunikation von Pseudomonas aeruginosa. 2006.

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