ABC-transporters with dual functions - detoxification and signalling by resistance modules against antimicrobial peptides
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Viele Bakterien leben in Habitaten, in denen sie einem hohen Konkurrenzdruck durch andere Bakterienarten ausgesetzt sind. Eine Strategie, um sich zu behaupten, ist die Produktion von Antibiotika zur Hemmung des Wachstums von Konkurrenten. Eine Gruppe solcher Substanzen sind antimikrobielle Peptide, die vor allem von Gram-positiven Bakterien produziert werden und hauptsächlich auf nahe verwandte Bakterien wirken. Um sich gegen Peptidantibiotika zu schützen, haben Bakterien verschiedene Resistenzmechanismen entwickelt. Den effizientesten Mechanismus stellen hierbei ATP-Binde-Kassetten (ABC)-Transporter dar. Unter diesen findet sich eine Gruppe ungewöhnlicher Proteine, die als BceAB-artige Systeme bezeichnet werden. Die Produktion von BceAB-artigen Transportern wird von Zweikomponentensystemen reguliert. Das am besten untersuchte Beispiel hierfür ist das Bce-System von B. subtilis, bestehend aus dem Zweikomponentensystem BceRS und dem Transporter BceAB, die gemeinsam Resistenz gegen Bacitracin vermitteln. BceS- artige Histidinkinasen verfügen über keine offensichtlichen Sensordomänen und sind stattdessen auf den Transporter angewiesen, um Antibiotika wahrzunehmen. Die Funktionsweise dieser Systeme, insbesondere ihre ungewöhnlichen Art der Reizwahrnehmung, war Gegenstand dieses Projektes. Mithilfe proteinbiochemischer Methoden konnten wir zeigen, dass der Transporter (BceAB) und die Histidinkinase (BceS) einen sensorischen Komplex in der Zellmembran der Bakterien bilden. In Gegenwart eines Antibiotikums, gegen das das Bce-System Resistenz vermitteln kann, wird dieses durch den Transporter erkannt. Da der Transporter direkt die Aktivität der Kinase kontrolliert, führt dies zur Aktivierung der Signaltransduktion und damit zur vermehrten Produktion des Transporters, was letztlich die eigentliche Resistenz vermittelt. Der Transporter verfügt somit über zwei separate Funktionen, (i) Signaltransduktion und (ii) Resistenzvermittlung. In einer parallelen Untersuchung führten wir eine zufallsgerichtete Mutagenese der Transportpermease BceB durch, wobei Mutanten gesucht wurden, die einen Defekt in der Aktivierung von BceS aufwiesen. Dies sollte erste Hinweise liefern, welche Aminosäuren bzw. Regionen des Transporters wichtig für die Kommunikation zwischen Transporter und Zweikomponentensystem sind. Von den insgesamt 16 identifizierten Aminosäureaustausch- Mutationen befand sich die große Mehrzahl im C-terminalen Drittel des Transporters. Diese Region scheint also eine wichtige Rolle bei der Kommunikation zwischen Transporter und Histidinkinase zu spielen. Ein weiteres wichtiges Ergebnis dieser Studie war die genetische Trennbarkeit der beiden Eigenschaften des Transporters, Signaltransduktion und Resistenz. So konnten drei Mutationen identifiziert werden, die die Fähigkeit zur Signaltransduktion stark reduzierten, jedoch wenig Einfluss auf die Resistenzvermittlung hatten. Der entgegengesetzte Fall wurde bei einer Mutation beobachtet, die einen vollständigen Verlust der Resistenz verursachte, jedoch die Signaltransduktion nur geringfügig beeinträchtigte. Die genetische Trennbarkeit von Transport und Signaltransduktion zeigte deutlich, dass BceAB- artige Transporter in der Tat zwei separate Aktivitäten besitzen. Dies unterstützt die biochemischen Hinweise, dass der regulatorische Effekt der Transporter direkt erfolgt und nicht lediglich ein indirektes Resultat der Substrattranslokation ist. In einem internationalen Kooperationsprojekt konnten wir dazu beitragen, ein Bacitracinresistenz-Netzwerk in Enterococcus faecalis zu identifizieren. Dieses Netzwerk besteht aus zwei BceAB-artigen Transportern und einem BceRS-artigen Zweikomponentensystem. Allerdings ist hierbei nur einer der Transporter für die Signalwahrnehmung verantwortlich, wohingegen die Resistenz ausschließlich durch den zweiten Transporter vermittelt wird. Trotz dieses Unterschiedes im Arrangement der einzelnen Aktivitäten zeigt sich damit, dass das Prinzip der Regulation und Resistenzvermittlung, besonders die zentrale sensorische Rolle des Transporters, auch außerhalb von B. subtilis, u.a. in medizinisch oder biotechnologisch relevanten Organismen Gültigkeit hat.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2012). ABC transporters of antimicrobial peptides in Firmicutes bacteria - phylogeny, function and regulation. Mol Microbiol 86, 1295–1317
Gebhard, S.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1111/mmi.12078) - (2013). Identification of regions important for resistance and signalling within the antimicrobial peptide transporter BceAB of Bacillus subtilis. J Bacteriol 195, 3287–3297
Kallenberg, F., Dintner, S., Schmitz, R. & Gebhard, S.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1128/JB.00419-13) - (2014). A sensory complex vonsisting of an ATP-binding cassette transporter and a two-component regulatory system controls bacitracin resistance in Bacillus subtilis. J Biol Chem 289, 27899–27910
Dintner, S., Heermann, R., Fang, C., Jung, K. & Gebhard, S.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1074/jbc.M114.596221) - (2014). Defence against antimicrobial peptides: different strategies in Firmicutes. Environmental Microbiology 16, 1225–1237
Revilla-Guarinos, A., Gebhard, S., Mascher, T. & Zúñiga, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1111/1462-2920.12400) - (2014). Identification and characterisation of a bacitracin resistance network in Enterococcus faecalis. Antimicrob Agents Chemother 58(3), 1425-1433
Gebhard, S., Fang, C., Shaaly, A., Leslie, D. J., Weimar, M. R., Kalamorz, F., Carne, A. & Cook, G. M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1128/AAC.02111-13) - (2014). Peptidantibiotika — Frühwarnsysteme und Katastrophenschutz bei Bakterien. BIOspektrum, 20 (3), pp. 263-266
Gebhard, S. and Dintner, S.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s12268-014-0437-y)
