Characterization of energy tactic abilities of Helicobacter pylori and their role in host colonization and gene regulation
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das pathogene Bakterium Helicobacter pylori kolonisiert chronisch die menschliche Magenschleimhaut und kann zu Gastritis, peptischen Ulzera und zu schweren Komplikationen wie Magenkrebs führen. H. pylori verfügt über eine Vielzahl von Kolonisierungs‐ und Virulenzfaktoren, die für die persistierende Kolonisierung notwendig sind. Einer dieser Faktoren ist seine gerichtete Bewegung (Taxis). Diese basiert auf vier Rezeptoren, die Umweltsignale wahrnehmen, und einer anschließenden Signalkaskade, die sich auf die Flagellenrotation und gerichtete Beweglichkeit auswirkt. Bisher waren viele Determinanten für die gerichtete Bewegung von H. pylori im Magen noch weitgehend unbekannt. Unter anderem konnte bisher noch nicht eindeutig geklärt werden, wie und unter welchen Bedingungen die einzelnen Taxis‐ Rezeptoren in vivo relevant sind. Der Fokus dieses Projekts lag auf einem dieser Taxis‐Rezeptoren, dem kürzlich in unserer Gruppe als wichtigstem Energiesensor beschriebenen TlpD. Die im Rahmen dieses Projekts durchgeführten Arbeiten hatten zum Ziel, zur Aufklärung der Rolle von TlpD in vivo im Magen, als auch seiner Wirkmechanismen in der H. pylori‐Zelle beizutragen. Um die Rolle von TlpD für die chronische Kolonisierung des Magens durch H. pylori zu bestimmen, wurden Mongolische Rennmäuse mit einem H. pylori‐Wildstamm, einer tlpD‐Mutante oder einer komplementierten tlpD‐Mutante chronisch kolonisiert. Die tlpD‐Mutante zeigte über die gesamte Infektionsdauer eine deutlich verringerte Kolonisierung, vor allem im Corpus. Dieses deutet auf eine besondere Rolle von TlpD in der initialen und chronischen Kolonisierung hin. Die tlpD‐Komplementante zeigte eine Wildtyp‐ähnliche Kolonisierung im Antrum. TlpD besitzt keine Transmembrandomäne und seine potenzielle Signalwahrnehmungsdomäne ist relativ kurz, sodass wir die Hypothese aufstellten, dass sowohl seine Signalwahrnehmung als auch seine Lokalisation in der Zelle über Protein‐Protein‐Interaktionen erfolgen könnten. Tatsächlich konnten wir über Massenspektrometrie sechs neue Proteininteraktionspartner von TlpD identifizieren: CheAY2, KatA, AcnB, IleS, SecA und RpoBC. Die potenzielle Interaktion mit CheAY2 korrespondierte dabei mit Ergebnissen in anderen bakteriellen Chemotaxissystemen. Die direkten Interaktionen von TlpD mit AcnB und KatA, die aufgrund ihrer Verknüpfung zum bakteriellen Metabolismus interessant erschienen, wurden durch biochemische Untersuchungen mit aufgereinigten Proteinen bestätigt. Um die Funktionen der Protein‐Protein‐Interaktionen weiter zu analysieren, wurden Mutanten, in denen die potenziellen Interaktionspartner CheAY2, KatA, AcnB, sowie TlpABC ausgeschaltet waren, auf Veränderungen in der Lokalisation von TlpD untersucht. Der Referenzstamm zeigte deutliche TlpD‐Akkumulationen an den Zellpolen und diffuses Signal von TlpD im bakteriellen Zellkörper. Mutanten in Interaktionspartnern und eine Veränderung des metabolischen Status der Bakterien (z.B. oxidativem Stress) in Verbindung zu essentiellen Eisen‐Schwefel‐Proteinen führten zu Lokalisationsveränderungen von TlpD. Insgesamt lieferten unsere Ergebnisse Hinweise die unsere Hypothese unterstützen, dass metabolische Aktivitäten über Protein‐Protein‐Interaktionen als Signal von TlpD wahrgenommen werden könnten. Diese variierenden TlpD‐Lokalisierungsmuster könnten auf eine dynamische TlpD‐Lokalisation in der Zelle abhängig vom Energiestatus hinweisen, welches mit der TlpD‐Funktion verknüpft sein könnte. Zusammengefasst konnten wir in diesem Projekt eine wichtige Rolle von TlpD in der Kolonisierung des Magens der Mongolischen Rennmaus zeigen, was vermutlich auf einer Rolle von TlpD bei der Vermeidung von schädlichen Magennischen beruht. Ebenfalls haben wir in diesem Projekt einen Zusammenhang der Lokalisation und der Signalwahrnehmung von TlpD mit Protein‐Protein‐ Interaktionen, metabolischen Bedingungen, oxidativem Stress und Eisenversorgung festgestellt und so zur weiteren Aufklärung der Mechanismen von TlpD als Energiesensor beigetragen. Darüber hinaus haben im Projekt wir die Gesamtgenomsequenz von H. pylori N6 bestimmt und analysiert, welcher als Referenzstamm für die meisten unserer hier dargestellten Untersuchungen diente. Mögliche Anwendungen der hier erzielten Ergebnisse zur bakteriellen Energiewahrnehmung werden im Hinblick auf die Entwicklung neuartiger antibakterieller Wirkstoffe in Erwägung gezogen. Eines der interessantesten und überraschendsten Ergebnisse des Projekts ist die intrazelluläre Dynamik des bearbeiteten Energiesensors TlpD im Zusammenhang mit Proteininteraktionen und dem bakteriellen Metabolismus und seine Rolle in der bakteriellen Genregulation. Einige der neu eröffneten Fragestellungen werde ich in neu beantragten Folgeprojekten fortsetzen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2010) Bacterial energy taxis: a global strategy? Arch Microbiol. 192(7):507‐20
Schweinitzer T & Josenhans C
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(2012) Genome sequence of Helicobacter pylori hpEurope strain N6. J Bacteriol. 194: 3725‐3726
Behrens W., Bönig T., Suerbaum S., and Josenhans C.
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(2013) Role of energy sensor TlpD of Helicobacter pylori in gerbil colonization and genome analyses after adaptation in the gerbil. Infect Immun. 81: 3534‐3551
Behrens W., Schweinitzer T., Bal J., Dorsch M., Bleich A., Kops F., Brenneke B., Didelot X., Suerbaum S., and Josenhans C.
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(2016) Localisation and protein‐protein interactions of the Helicobacter pylori taxis sensor TlpD and their connection to metabolic functions. Sci Rep. 2016 Apr 5;6:23582
Behrens W, Schweinitzer T, McMurry JL, Loewen PC, Buettner FF, Menz S, Josenhans C
