Structural characterization of gene products from uncharacterized operons of Pseudomonas aeruginosa PAO1

Feiler, Christian

Pseudomonas aeruginosa ist ein gram-negatives opportunistisches human-pathogenes Bakterium, welches in den letzten Jahren auf Grund seiner weiten Verbreitung und rapiden Resistenzentwicklung immer mehr in den Focus der wissenschaftlichen Forschung rückt. Vor allem in Krankenhäusern infiziert es immunsupprimierte Patienten, oder Patienten, deren natürliches Abwehrsystem bereits durch eine andere Krankheit geschwächt ist, z.B. Mukoviszidose Patienten, deren zähflüssiger Schleim in den Bronchien einen idealen Nährboden bietet, sind besonders schlimm betroffen im Falle einer Pseudomonas Infektion. Das Genom von P. aeruginosa wurde vor mehr als zehn Jahren sequenziert und umfasst ungefähr 6,5 Millionen Basenpaare, die sich in auf 5600 Gene aufteilen. Neu sequenzierte Organismen weisen generell eine Vielzahl unbekannter Gene auf, deren Zahl auf ungefähr 40% der Genomgröße beziffert wird. Allerdings ist es von entscheidender Wichtigkeit um einen Organismus charakterisieren können, nicht nur die Sequenz des Genoms zu kennen, sondern auch die Funktion der translatierten Genprodukte. In der hier vorliegenden Arbeit werden die Ergebnisse aus der Pilot-Phase eines neuartigen Ansatzes zur Annotierung zuvor unbekannter Gene berichtet, der sich von anderen dieser Art vor allem darin unterscheidet, dass nicht Proteine alleine charakterisiert werden, sondern diese zunächst im ihrem physiologischen Kontext annotiert werden bevor die individuelle Betrachtung folgt. In dieser Arbeit wurden zwei Operons unbekannter Funktion betrachtet, PA1621-PA1624 und PA5506-PA5509. Mittels Methoden der Röntgenkristallographie konnten fünf Protein Strukturen bestimmt werden; unter ihnen ein interessanter Transkriptionsfaktor, der indirekt in die Regulation bakterieller Virulenz involviert scheint und ein neuartige Form der Proteinfaltung, die keine Homologien zu bekannten Strukturen aufweist. Weiterhin wurden Pseudomonas Mutanten erzeugt, in denen eines der selektierten Operons deletiert wurde, um diese in späteren vergleichenden Metabolomic Studien zur Identifikation von Unterschieden in der Metabolom-Zusammensetzung zu nutzen.

Pseudomonas aeruginosa is a gram-negative opportunistic human pathogen. It is considered as one of the most persistent infectious bacteria in human disease, leading to a high rate of morbidity. In most cases, P. aeruginosa infections strike hospitalized people and/or cystic fibrosis patients, where it is the main reason for low life expectancy. The genome of P. aeruginosa covers 6.3 million base pairs. Common with other sequenced organisms, a high percentage (approx. 40%) of the identified genes are functionally not annotated. In order to unveil new opportunities for drug discovery, it is important to shed light onto this “white space” of the genome map. Here the results of the pilot-phase of new structure based approach with follow up metabolomic analysis are reported. In this approach it is made use of the fact that in prokaryotes functionally linked genes are usually clustered in operons that can be predicted by bioinformatics methods. Regarding these operons loss- and gain-of-function mutants have been generated to be used for follow up metabolomic analysis. Further, x-ray crystallography was employed to gain detailed structural insight and to derive additional functional hypothesis. Genes of two selected operons, PA1621-PA1624 and PA5506-PA5509, both comprising previously uncharacterized genes were structurally elucidated in the study, leading to five new crystals structures determined, employing x-ray crystallographic methods. Amongst them, a transcription regulator which is involved in regulation of bacterial virulence and is therefore an interesting putative drug target. Furthermore, a new protein fold was discovered with no similarity to any previously reported structures deposited to the Protein Data Bank (PDB).

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Feiler, Christian: Structural characterization of gene products from uncharacterized operons of Pseudomonas aeruginosa PAO1. 2015.

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