Entwicklung von Computermodellen der Chlamydien-Interaktome und Untersuchung sekretierter Proteine in Protochlamydia amoebophila UWE25
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Während die Genomsequenzierung von Mikroben immer weiter voranschreitet, bleiben das Verständnis der Genom-Sequenzdaten und die Möglichkeiten zur Ableitung funktioneller Information immer weiter zurück. In diesem Projekt haben wir bislang un-annotierte Proteine in Mikroorganismen mittels bioinformatischer Ansätze untersucht. Wir verfolgten dabei das Ziel, Computermodelle aller Protein-Protein-Interaktionen zu erstellen, welche in einer Zelle möglich sind („Interaktome“), Gruppen funktionell interagierender Proteine abzuleiten („Funktionelle Module“) und molekulare Mechanismen der Protein-Sekretion aufzuklären. Im genomorientieren Teil unserer Analyse haben wir Chlamydien als Modellorganismen für die Wechselwirkung zwischen Bakterien und eukaryotischen Hostzellen verwendet. Trotz der großen Bedeutung der Chlamydien als Verursacher weit verbreiteter und folgenschwerer humaner und Tiererkrankungen ist deren Biologie immer noch relativ schlecht verstanden. Die ist vor allem durch den obligat intrazellulären Lebensstil der Chlamydien sowie durch die fehlenden Möglichkeiten zu deren genetischer Modifikation zu erklären. Unter diesen Umständen ist die Sequenzinformation von Genomen besonders wichtig für ein besseres Verständnis der Chlamydien. Obwohl einige komplett sequenzierte Chlamydiengenome verfügbar sind, hat die funktionelle Beschreibung der Genprodukte noch nicht ausgereicht, um die komplexen Prozesse des einzigartigen chlamydialen Entwicklungszyklus und deren Interaktion mit ihren Hostzellen auf molekularer Ebene zu verstehen. Folgende Schlüsselfragen wurden in diesem Projekt bearbeitet: 1. Nutzung funktionell verwandter Gene und Module für die Annotation unbekannter Chlamydienproteine: Ein großer Anteil der chlamydialen Genprodukte (~30%--50%, je nach Spezies) wurde weder durch Experimente noch durch stringente bioinformatische Methoden basierend auf Funktionstransfer durch Sequenzhomologie in ihrer Funktion charakterisiert. Für 178 dieser unbekannten Proteine konnte eine Funktion anhand von funktionellen Modulen vorhergesagt werden. 2. Tieferes Verständnis der Genomreduktion durch Host-Adaption durch Vergleich von Umweltchlamydien mit hoch adaptierten pathogenen Chlamydien: Die Stärke der Bindung zwischen einem pathogenen Bakterium und seinem Host spiegelt sich u.a. im Verlust von bakteriellen Genen wider. Umweltchlamydien besitzen daher größere Genome als ihre pathogenen Verwandten. Die Analyse der Differenzen im genetischen Repertoire (repräsentiert durch die funktionellen Module welche zellulären Subsystemen entsprechen) zwischen beiden erlaubte es, neue Einsichten in die Evolution der Host-Anpassung zu erhalten. Dieser Prozess ist durch den Verlust kompletter Module dominiert; während deren graduelle Reduktion seltener beobachtet wird. 3. Bioinformatische Identifikation von Effektor-Proteinen: Umfassendes Wissen über die für die Virulenz verantwortlichen Proteine ist essenziell für das Verstehen der molekularen Mechanismen pathogener Bakterien und bildet langfristig die Grundlage für die Entwicklung spezifischer Antibiotika. In diesem Projekt haben wir die erste universelle Computermethode zur Identifikation Typ III sekretierter Proteine anhand eines kurzen Teils ihrer Proteinsequenz entwickelt. Die Eigenschaften dieser Signalsequenz gleichen sich in menschlichen und Tierpathogenen sowie Pflanzensymbionten. Basierend auf diesen Erkenntnissen haben wir ein Computerprogramm für die Vorhersage derartiger Effektoren entwickelt, anwendbar z.B. für die Analyse neu sequenzierter Genome.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Sequence-based prediction of type III secreted proteins. Plos Pathogens 2009 Apr;5(4)
Arnold R, Brandmaier S, Kleine F, Tischler P, Heinz E, Behrens S, Niinikoski A, Mewes HW, Horn M, Rattei T
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Effective- a database of predicted secreted bacterial proteins. Nucleic Acids Res. 2010; 39(suppl 1): D591-D595
Jehl A, Arnold R, Rattei T
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Functional analysis of the finO distal region of plasmid R1. Plasmid 2010
Nuk MR, Reisner A, Neuwirth M, Schilcher K, Arnold R, Jehl A, Rattei T, Zechner EL
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Molecular recognition determinants for type IV secretion of diverse families of conjugative relaxase. Mol. Microbiol. 2010; 78(6): 1539-55
Lang S, Gruber K, Mihajlovic S, Arnold R, Gruber CJ, Steinlechner S, Jehl MA, Rattei T, Fröhlich KU, Zechner EL
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Targeting effectors: the molecular recognition of Type III secreted proteins. Microbes Infect. 2010; 12(5):346-58
Arnold R, Jehl A, Rattei T
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The genome of the amoeba symbiont ‘Candidatus Amoebophilus asiaticus’ reveals common mechanisms for host cell interaction among amoeba-associated bacteria. J Bacteriol. 2010;192(4):1045-57
Schmitz-Esser S, Tischler P, Arnold R, Montanaro J, Wagner M, Rattei T, Horn M
