Aufklärung des Zellwand- und Aminozucker-Metabolismus von Tannerella forsythia - Relevanz für die Anpassung an das orale Habitat
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Tannerella forsythia ist ein anaerobes, Gram-negatives Bakterium der Mundhöhle, das zum Phylum der Bacteroidota gehört. Es ist an chronischen und aggressiven Formen der Parodontitis beteiligt, einer entzündlichen Erkrankung des Zahnhalteapparats, von der weltweit 750 Millionen Menschen betroffen sind. In späten Stadien des Fortschritts einer Parodontitis führt T. forsythia als Teil des roten Komplexes, eines Konsortiums von parodontalpathogenen Bakterien zusammen mit Porphyromonas gingivalis und Treponema denticola, zur Zerstörung des zahntragenden Gewebes, was letztlich zum Zahnverlust führt. Frühere axenische Kultivierungsstudien zeigten, dass T. forsythia auxotroph für N-Acetylmuraminsäure (MurNAc) ist. MurNAc ist eine charakteristische und wesentliche Kohlenhydratkomponente des Glykokonjugats Peptidoglykan (PGN), das die Zellwände von Bakterien bildet. Die Sequenzierung des gesamten T. forsythia Genoms lieferte eine Erklärung für die MurNAc-Auxotrophie. Sie ergab, dass dem Bakterium die allgemein wichtigen Gene fehlen, die für die kanonischen Enzyme MurA/MurB kodieren, die für die De-novo-Synthese von PGN-Vorstufen erforderlich sind. Somit ist dieses Bakterium bei der Bereitstellung von MurNAc entscheidend von den im oralen Biofilm lebenden Bakterien abhängig. Wir konnten zeigen, dass T. forsythia sowohl lösliche PGN-Fragmente als auch polymeres PGN als Quelle für exogenes MurNAc akzeptiert. Wir entdeckten zwei neuartige, vermutlich periplasmatische, exo-lytische β-N-Acetylmuramidasen (NamZ1 und NamZ2), die ins Periplasma transportierte exogene PGN-Glykanstränge vom nichtreduzierenden Ende spalten und dabei N-Acetylglucosamin (GlcNAc)-MurNAc-Disaccharide und MurNAc freisetzen. Während alle bisher charakterisierten Lysozyme (Muramidasen) innerhalb der PGN-Glykanketten spalten (d.h. endo-lytische Aktivität besitzen), spalten diese neuartigen Enzyme Zuckereinheiten vom Ende der PGN-Kette ab (d.h. sie besitzen exo-lytische Aktivität). Die NamZ-Enzyme etablieren eine völlig neue Klasse von Lysozyme-verwandten Glykosidasen (Klassifiziert als Familie GH171 der Glycosidasen; siehe CAZy Datenbank unter: www.cazy.org/GH171.html). Zudem haben wir zwei Transporter der inneren Membran identifiziert: (i) AmpG, der die von NamZ1 erzeugten Disaccharide importiert, und (ii) MurT, der das von NamZ2 erzeugte MurNAc importiert. Am Metabolismus dieser Zucker sind des Weiteren zwei intrazelluläre MurNAc-Kinasen (MurK1 und MurK2) beteiligt, die biochemisch charakterisiert und deren Kristallstrukturen gelöst wurden. Unsere Studie konnte wesentliche Aspekte des komplexen PGN-Wiederverwertungs-Stoffwechselweg von T. forsythia entschlüsseln und damit aufzeigen, wie dieses parodontale Pathogen in der mikrobiellen Gemeinschaft der Mundhöhle mittels Peptidoglykan-Abbau gedeiht. Die Ergebnisse dieser Arbeit können neue Wege für die antibakterielle Behandlung von Parodontitis-Erkrankungen eröffnen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Crystal Structure of the N-Acetylmuramic Acid α-1-Phosphate (MurNAc-α1-P) Uridylyltransferase MurU, a Minimal Sugar Nucleotidyltransferase and Potential Drug Target Enzyme in Gram-negative Pathogens. Journal of Biological Chemistry, 290(17), 10804-10813.
Renner-Schneck, Michaela; Hinderberger, Isabel; Gisin, Jonathan; Exner, Thomas; Mayer, Christoph & Stehle, Thilo
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Identification of a Novel N -Acetylmuramic Acid Transporter in Tannerella forsythia. Journal of Bacteriology, 198(22), 3119-3125.
Ruscitto, Angela; Hottmann, Isabel; Stafford, Graham P.; Schäffer, Christina; Mayer, Christoph & Sharma, Ashu
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Analysis of N-acetylmuramic acid-6-phosphate (MurNAc-6P) Accumulation by HPLC-MS. BIO-PROTOCOL, 7(15).
Borisova, Marina & Mayer, Christoph
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N-Acetylmuramic Acid (MurNAc) Auxotrophy of the Oral Pathogen Tannerella forsythia: Characterization of a MurNAc Kinase and Analysis of Its Role in Cell Wall Metabolism. Frontiers in Microbiology, 9.
Hottmann, Isabel; Mayer, Valentina M. T.; Tomek, Markus B.; Friedrich, Valentin; Calvert, Matthew B.; Titz, Alexander; Schäffer, Christina & Mayer, Christoph
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Bacteria's different ways to recycle their own cell wall. International Journal of Medical Microbiology, 309(7), 151326.
Mayer, Christoph; Kluj, Robert Maria; Mühleck, Maraike; Walter, Axel; Unsleber, Sandra; Hottmann, Isabel & Borisova, Marina
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Peptidoglycan-type analysis of the N-acetylmuramic acid auxotrophic oral pathogen Tannerella forsythia and reclassification of the peptidoglycan-type of Porphyromonas gingivalis. BMC Microbiology, 19(1).
Mayer, Valentina M. T.; Hottmann, Isabel; Figl, Rudolf; Altmann, Friedrich; Mayer, Christoph & Schäffer, Christina
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Utilization of different MurNAc sources by the oral pathogen Tannerella forsythia and role of the inner membrane transporter AmpG. BMC Microbiology, 20(1).
Mayer, Valentina M. T.; Tomek, Markus B.; Figl, Rudolf; Borisova, Marina; Hottmann, Isabel; Blaukopf, Markus; Altmann, Friedrich; Mayer, Christoph & Schäffer, Christina
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Peptidoglycan Salvage Enables the Periodontal Pathogen Tannerella forsythia to Survive within the Oral Microbial Community. Microbial Physiology, 31(2), 123-134.
Hottmann, Isabel; Borisova, Marina; Schäffer, Christina & Mayer, Christoph
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NamZ1 and NamZ2 from the Oral Pathogen Tannerella forsythia Are Peptidoglycan Processing Exo-β- N -Acetylmuramidases with Distinct Substrate Specificities. Journal of Bacteriology, 204(3).
Borisova, Marina; Balbuchta, Katja; Lovering, Andrew; Titz, Alexander & Mayer, Christoph
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N-acetylmuramic acid recognition by MurK kinase from the MurNAc auxotrophic oral pathogen Tannerella forsythia. Journal of Biological Chemistry, 299(9), 105076.
Stasiak, Aleksandra Cecylia; Gogler, Karolin; Borisova, Marina; Fink, Phillipp; Mayer, Christoph; Stehle, Thilo & Zocher, Georg
