@phdthesis{Middendorf2005,
  author    = {Middendorf, Barbara},
  title     = {Untersuchungen zur Instabilit{\"a}t von Pathogenit{\"a}tsinseln des uropathogenen Escherichia coli Stammes 536 : "Island Probing" von PAI I(536) - PAI V(536)},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-16573},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2005},
  abstract  = {Der uropathogene Escherichia coli Stamm 536 (O6:K15:H31) stammt aus einem Patienten mit akuter Pyelonephritis und ist heute einer der Hauptmodellorganismen f{\"u}r Studien zum Vorkommen und zur Funktionalit{\"a}t von Pathogenit{\"a}tsinseln (PAIs). Sein Genom enth{\"a}lt sechs genetische Elemente (PAI I(536) bis PAI VI(536)), die an unterschiedlichen Stellen des Chromosoms integriert sind und die Hauptkriterien f{\"u}r PAIs erf{\"u}llen. Sie kodieren f{\"u}r viele Virulenzfaktoren des Stammes, sind am 3' Ende von tRNA Genen integriert, enthalten teils kryptische Fragmente mobiler genetischer Elemente wie Integrase- oder Transposasegene und werden meist von IS Elementen oder 'direct repeats' (DRs) flankiert. Dar{\"u}ber hinaus haben sie die Tendenz, instabil zu sein und aus dem Chromosom zu deletieren. Mit Ausnahme von PAI IV(536) sind alle PAIs von E. coli 536 mit intakten Integrasegenen assoziiert, die zu int Genen des Coliphagen P4 bzw. des Shigella flexneri Phagen SfX {\"a}hnlich sind. Neuere Untersuchungen zeigen, daß diese Gene exprimiert werden und f{\"u}r funktionelle Enzyme kodieren. Zus{\"a}tzlich werden die PAIs ebenfalls mit Ausnahme von PAI IV(536) von DRs unterschiedlicher Gr{\"o}ße flankiert, die den Randbereichen von Prophagen im prokaryontischen Chromosom entsprechen. Es ist daher wahrscheinlich, daß PAI-Deletionen vergleichbar zum Insertions-/Exzisionsmechanismus von Bakteriophagen durch die jeweilige PAI-assoziierte Integrase vermittelt werden und durch ortsspezifische Rekombination zwischen den flankierenden DRs erfolgen. Die Instabilit{\"a}t von PAI I(536) und PAI II(536) ist schon fr{\"u}h belegt worden. Jede Insel kodiert f{\"u}r eine H{\"a}molysindeterminante und ihre Kodeletion f{\"u}hrt zu einem ah{\"a}molytischen Ph{\"a}notyp, der mit einer H{\"a}ufigkeit von 3×10(-5) in vivo und bis 1x10(-3) in vitro auftritt. Die Exzision erfolgt durch ortsspezifische Rekombination zwischen den 16 bp bzw. 18 bp großen flankierenden DRs der PAIs. Da den {\"u}brigen E. coli 536-spezifischen PAIs entsprechende ph{\"a}notypische Marker fehlen, wurde in der hier vorliegenden Arbeit das 'Island Probing'-Verfahren angewendet, um die Instabilit{\"a}t von PAI I(536) bis PAI V(536) im Detail zu untersuchen. Dazu wurde der negative Selektionsmarker sacB separat in die PAIs integriert. Zellen, die diesen Marker tragen, sind saccharosesensitiv und k{\"o}nnen nur in Gegenwart hoher Saccharosekonzentrationen wachsen, nachdem die sacB-markierte PAI aus dem Chromosom deletiert wurde. Auf diese Weise konnten von sacB-markierten Derivaten des Stammes E. coli 536 gezielt PAI-negative Zellen isoliert werden, um die Grunddeletionsraten der PAIs zu bestimmen und ihre Randbereiche zu analysieren. Zus{\"a}tzlich wurde der Einfluß verschiedener Umwelteinfl{\"u}sse wie niedrige/hohe Temperatur, osmotischer Streß, N{\"a}hrstoffmangel, subinhibitorische Antibiotikakonzentrationen oder die Gegenwart konjugativer Plasmide auf die Exzisionsrate untersucht. Die in dieser Arbeit vorgestellten Daten zeigen, daß PAIs von E. coli 536 mit unterschiedlicher H{\"a}ufigkeit deletieren. W{\"a}hrend PAI II(536) und PAI III(536) mit Deletionsraten von 2×10(-5) bzw. 5x10(-5) am instabilsten sind, liegen die Exzisionsraten von PAI I(536) und PAI V(536) mit 2x10(-6) bzw. 1×10(-6) niedriger und deuten auf eine fortschreitende Stabilisierung dieser PAIs hin. Im Gegensatz dazu ist PAI IV(536) bereits vollst{\"a}ndig stabil in das Chromosom eingebettet. W{\"a}hrend die Exzision von PAI I(536), PAI II(536) und PAI V(536) RecA-unabh{\"a}ngig ist und auf ortsspezifischer Rekombination zwischen ihren flankierenden DRs beruht, treten bei PAI III(536) zwei alternative Deletionsmechanismen auf. Die Exzision dieser PAI erfolgt entweder vollst{\"a}ndig durch ortsspezifische Rekombination zwischen den flankierenden DRs oder partiell durch homologe Rekombination zwischen zwei IS100 Elementen innerhalb der PAI. Unabh{\"a}ngig vom Rekombinationsmechanismus f{\"u}hrt die Deletion aber in allen F{\"a}llen zur Bildung zirkul{\"a}rer Intermediate (CIs), die vermutlich aufgrund fehlender Replikationsstartpunkte bei nachfolgenden Zellteilungen verlorengehen. Obwohl CIs von PAI II(536) und PAI III(536) mit Hilfe spezifischer PCR-Reaktionen identifiziert werden konnten, war ein PCR-Nachweis PAI I(536)- und PAI V(536)-spezifischer CIs bedingt durch die niedrigen Deletionsraten dieser Inseln nicht m{\"o}glich. Interessanterweise konnte in dieser Arbeit erstmalig gezeigt werden, daß die Deletion von PAI II(536) und PAI III(536) bei niedriger Wachstumstemperatur, hoher Zelldichte und N{\"a}hrstoffmangel in vitro induzierbar ist, d. h. unter Bedingungen, die auch in nat{\"u}rlichen Biofilmen auftreten k{\"o}nnen. Andere Bedingungen wie osmotischer Streß, subinhibitorische Antibiotikakonzentrationen oder die Anwesenheit konjugativer Plasmide haben keinen Einfluß auf die Deletionsrate der PAIs. Insgesamt deuten die Ergebnisse darauf hin, daß die Instabilit{\"a}t von PAIs bei E. coli 536 in vivo eine wichtige Rolle spielt indem sie zur Genomflexibilit{\"a}t und Evolution sowie zur Modulation der Virulenzgenexpression der Bakterien beitr{\"a}gt.},
  subject      = {Escherichia coli},
  language  = {de}
}