Thorsten Berg

• Vibrio cholerae, der Erreger der gastrointestinalen Erkrankung Cholera, ist ein Gram- negatives, fakultativ anaerobes gekrümmtes Stäbchenbakterium und zugleich der wohl bekannteste Vertreter der Familie Vibrionaceae. Es persisitiert die meiste Zeit in aquatischen Ökosystemen wie Flüssen, Seen oder Meeresküsten, wo das Bakterium meist mit Crustaceen oder anderen Organismen mit Chitin-haltigen Oberflächen assoziiert vorliegt. Über orale Aufnahme kontaminierter Lebensmittel oder von Wasser kann das Bakterium in den menschlichen Organismus gelangenVibrio cholerae, der Erreger der gastrointestinalen Erkrankung Cholera, ist ein Gram- negatives, fakultativ anaerobes gekrümmtes Stäbchenbakterium und zugleich der wohl bekannteste Vertreter der Familie Vibrionaceae. Es persisitiert die meiste Zeit in aquatischen Ökosystemen wie Flüssen, Seen oder Meeresküsten, wo das Bakterium meist mit Crustaceen oder anderen Organismen mit Chitin-haltigen Oberflächen assoziiert vorliegt. Über orale Aufnahme kontaminierter Lebensmittel oder von Wasser kann das Bakterium in den menschlichen Organismus gelangen und dort den oberen Dünndarmbereich kolonisieren, wo letztlich durch verschiedene Virulenzfaktoren, aber hauptsächlich durch das Cholera-Toxin, die Symptomatik der Cholera ausgelöst wird. V. cholerae ist somit sowohl in seiner natürlichen Umgebung, als auch im humanen Wirt höchst unterschiedlichen Umweltbedingungen ausgesetzt. Diese alternierenden Umweltreize stellen verschiedene Anforderungen an die Expressions- und Regulationsfähigkeiten von Proteinbiosynthesen des Bakteriums dar. Die Notwendigkeit einer raschen Adaption setzt daher vielfältige und komplexe Genregulationsmechanismen voraus. Im ersten Teil der hier vorliegenden Arbeit sollte die Genregulation des chs-Operons untersucht werden. Als Grundlage dienten hierbei Hinweise, nach welchen dieses Operon als putatives PTS eine Rolle für den Metabolismus von dem Chitin-Derivat Chitobiose spielen könnte. Zudem sollte der Einfluss des aus Escherichia coli bekannten Repressors Mlc auf die Expression des Operons tiefer gehend untersucht werden. Im Rahmen dieser Arbeit war es gelungen, das als ChsR benannte Protein eindeutig als spezifischen LacI-ähnlichen Repressor für das chs-Operon zu bestätigen. Weiter konnte auch eine cAMP-abhängige Expressionsinduktion bestätigt werden, welche sich allerdings nur bei inaktiven ChsR durchsetzen kann. Als spezifischer Induktor für den Repressor ChsR konnte Chitobiose (GlcN)2 identifiziert werden, welches zwar bei dem in dieser Arbeit verwendeten O1-Stamm SP27459-S nicht als alleinige Kohlenstoffquelle dienen kann, aber unter induktiven Konzentrationen die Repressoreigenschaft von ChsR inhibiert. Zugleich konnte ChsC als für den Import des Induktors Chitobiose verantwortliches Protein identifiziert werden. Weiter nicht eindeutig zu klären blieb der Einfluss von Mlc auf das chs-Operon. Zwar konnte der aktivierende Effekt von Mlc auf die chs-Expression durch Komplementation bestätigt werden, der genaue Mechanismus bleibt jedoch weiterhin unbekannt und bedarf weiterer Untersuchungen. Einzig der Einfluss von Mlc auf den Chitobiose-Import konnte ausgeschlossen werden. Im zweiten Teil dieser Arbeit sollte der weitaus komplexere Mechanismus der Virulenzgenregulation untersucht werden. Im Fokus stand hierbei der Hauptvirulenz-genregulator ToxR und dessen Abhängigkeit von der periplasmatischen Protease DegS. Anhand unterschiedlicher Experimente auf Promotoraktivitäts-, mRNA- und Proteinebene konnte eine Abnahme der ToxR-Aktivität in der degS-Knockout Mutante beobachtet werden, was auf eine Aktivierung von ToxR durch DegS schließen lässt. Weiter konnte eine Abhängigkeit der Aktivität von ToxR von der ebenfalls DegS-abhängigen RpoE-Signalkaskade ausgeschlossen werden. Auch konnte gezeigt werden, dass die Integrität von ToxR durch ToxS, nicht aber durch DegS bestimmt wird. Der exakte Mechanismus der DegS-induzierten ToxR-Aktivierung konnte im Rahmen dieser Arbeit nicht mehr ermittelt werden. Es wurden jedoch Hinweise darauf gewonnen, dass eine direkte ToxR-DegS-Interaktion im periplasmatischen Raum stattfinden könnte. Die in dieser Arbeit gewonnen Erkenntnisse hinsichtlich der ToxR-Regulation durch DegS bieten sowohl eine interessante neue Perspektive der Funktionsweise der periplasmatischen Protease DegS, als auch eine breite Grundlage für weitergehende Untersuchungen bezüglich der Aktivierung des wichtigsten Virulenzregulators ToxR in V. cholerae.…
• Vibrio cholerae, the causative agents of the gastrointestinal disease cholera, is a Gram-negative facultative anaerobic curved bacterium. It further is probably the best characterized member of the family Vibrionaceae. V. cholerae mainly persists in aquatic ecosystems such as rivers, lakes or sea-coasts where it is found associated with crustaceae and other organisms exposing chitin-containing surfaces. The bacterium infects the human organism via the oral uptake pathway by ingestion of contaminated food or water. Subsequently, it colonizes theVibrio cholerae, the causative agents of the gastrointestinal disease cholera, is a Gram-negative facultative anaerobic curved bacterium. It further is probably the best characterized member of the family Vibrionaceae. V. cholerae mainly persists in aquatic ecosystems such as rivers, lakes or sea-coasts where it is found associated with crustaceae and other organisms exposing chitin-containing surfaces. The bacterium infects the human organism via the oral uptake pathway by ingestion of contaminated food or water. Subsequently, it colonizes the upper part of the small intestine and there it eventually causes the typical symptoms of cholera. Thus, both in its natural surrounding and within the human host, V. cholerae faces dramatically alternating environmental conditions. These challenges exhibit different demands and flexibility to alteration of protein expression. This necessity for efficient adaption requires manifold and complex mechanisms of gene regulation. In the first part of the study presented here, the gene regulation of the chs-operon has been examined. In the forefront of this examination there were indications that this operon may play a role as a putative PTS for the metabolism of the chitin-derivate chitobiose. Furthermore, the influence of the in Escherichia coli well-known repressor Mlc on the expression of the operon has been determined. Within this study the protein termed ChsR could be confirmed as a specific LacI-similar repressor type protein for the chs-operon. Also, a cAMP-dependend induction of expression could be verified, which however, can only be achieved when ChsR is inactive. Chitobiose (GlcN)2 has been identified as the specific inductor for the repressor ChsR. This inductor substrate cannot be used as the only carbon-source for the O1-strain SP27459-S, but is able to act on the repressor ChsR under inductive concentrations to cause depression on the chs-operon. Furthermore, ChsC could be identified to be responsible for the import of the inductor chitobiose. The influence of Mlc on the chs-operon could not be elucidated. Even though the activating effect of Mlc on the chs-expression has been confirmed via complementation analysis, however the exact mechanism remains unknown and needs further investigations. Finally, an influence of Mlc on the import of chitobiose could be ruled out. In the second part of this study a far more complex mechanism of virulence gene expression has been investigated. The examinations concentrated on the main virulence regulator ToxR, which is involved in gene regulation of cholera-toxin genes and others, and its dependence on the periplasmatic protease DegS. On the basis of various experiments a decrease of ToxR-activity in a degS-knockout mutant could be observed on promoter-activity-, mRNA- and protein level, utilizing the ToxR dependent regulated porin OmpU. The obtained results clearly indicated that an activation of ToxR via interaction with DegS seems possible. Furthermore, a dependence of ToxR-activity on the DegS-dependent RpoE-signal cascade could be ruled out. Also it could be demonstrated that the integrity of ToxR is maintained by ToxS, but not by DegS. However, the exact mechanism of the DegS-induced activation of ToxR could not be determined within this study and should be investigated in future. So far only genetic derived indications have been gained that there is direct interaction between ToxR and DegS in the periplasmic space, a proof by protein/protein interaction is still lacking. The findings summarized in this study addressing the regulation of ToxR via DegS present an interesting new perspective of the function of the periplasmic protease DegS involved in affecting a general virulence regulatory pathway. Moreover, the data will serve as the basis for further investigations on the molecular mechanism of activation and signal transduction of the most important virulence factor ToxR in V. cholerae.…