TY  - THES
A1  - Link, Stefanie
T1  - Molekulare Charakterisierung des Filamentösen Hämagglutinins von Bordetella holmesii
T1  - Molecular characterization of the filamentous hemagglutinin of Bordetella holmesii
N2  - Zur Gattung Bordetella zählen derzeit neun verschiedene Arten Gram-negativer Bakterien. Der strikt humanpathogene Keim B. pertussis ist der Erreger des Keuchhustens und stellt das wohl wichtigste Mitglied der Gattung dar. B. holmesii gehört zu den sogenannten neuen Bordetella-Arten und wurde 1995 erstmals von Weyant et al. beschrieben. In den letzten Jahren gewann B. holmesii als humanpathogener Keim, der Keuchhusten-ähnliche Erkrankungen verursacht, zunehmend an Bedeutung. Mit Ausnahme des BvgAS-Systems (Gerlach et al., 2004) konnten in B. holmesii bislang keine für die „klassischen“ Bordetella-Arten bekannten Virulenzfakoren nachgewiesen werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein zum Filamentösen Hämagglutinin homologer Faktor in B. holmesii identifiziert. Der fhaB-Locus aus B. holmesii unterscheidet sich deutlich von dem der anderen Bordetella-Arten, da die fhaB-Sequenz in B. holmesii (fhaBBH) stromaufwärts von einem putativen Membranprotein und stromabwärts von einem IS1001-ähnlichen IS-Element flankiert wird. Sowohl auf DNA- als auch auf Proteinebene weist das fhaBBH-Gen die größte Ähnlichkeit zu dem fhaB-Homolog aus B. avium auf, was die Vermutung bestärkt, dass B. holmesii phylogenetisch im Umfeld von B. avium anzusiedeln ist. Durch in silico-Analysen der FhaBBH-Aminosäuresequenz konnte eine N-terminale Signalpeptiddomäne sowie eine TPS-Domäne identifiziert werden. Dies lässt vermuten, dass FHABH an die bakterielle Oberfläche transportiert und möglicherweise sekretiert wird. Anhand von in silico-Analysen wurde zudem ein KGD-Motiv, nicht jedoch eine Heparinsulfat- und eine Kohlenhydratbindedomäne im FhaBBH identifiziert. Das KGD-Motiv könnte das RGD-Motiv im FHA der „klassischen“ Bordetella-Arten bei der Erkennung von Rezeptoren ersetzen. In Zellkultur-Experimenten konnte die Adäsionsfähigkeit von B. holmesii G7702 an A549-Zellen nachgewiesen werden. Eine fhaB-Deletionsmutante des entsprechenden Stammes zeigte dagegen eine signifikant niedrigere Adhäsionsrate an die menschlichen Lungenepithelzellen. Somit konnte gezeigt werden, dass FHA in B. holmesii eine Rolle als Adhäsionsfaktor spielt. Die im Vergleich zum Wildtyp stark verringerte Adhäsionsrate der bvgA-Mutante von B. holmesii G7702 lässt zudem auf die Beteiligung weiterer Adhäsionsfaktoren an der Wirtszelladhäsion in B. holmesii und deren Regulation durch das BvgAS-Systems schließen. Die Regulationsstudien haben gezeigt, dass die fhaB-Transkription in B. holmesii über zwei konstitutiv aktive Promotoren und einen bvg-abhängigen Promotor erfolgt. In vitro ist phosphoryliertes BvgABH in der Lage, spezifisch an die fhaB-upstream-Region aus B. holmesii zu binden. Innerhalb der fhaBBH-upstream-Region wurden drei putative BvgA-Bindestellen BS2-4 identifiziert, die Ähnlichkeiten zu inverted repeat-Anordnungen der BvgA-Konsensussequenz 5’- T/A T T C C/T T A -3’ aufweisen. Basierend auf den Ergebnissen der in vitro-Binde- und in vivo-Expressionsstudien zur Charakterisierung der einzelnen putativen BvgABH-Bindestellen wird ein Modell für die BvgABH-Bindung innerhalb des fhaB-Promotors in B. holmesii vorgeschlagen. Demnach wird zunächst die primäre BvgABH-Bindestelle BS2 mit der höchsten Affinität von BvgABH-P gebunden, wobei für BvgABH-P eine Dimerisierung angenommen wird. Anschließend bindet ein zweites BvgABH-P-Dimer an die als sekundäre Bindestelle bezeichnete BS3-Region, die sich stromabwärts von BS2 befindet. Eine möglicherweise darauf folgende unspezifische Anlagerung von zwei weiteren BvgABH-P-Dimeren an den 37 bp großen DNA-Abschnitt zwischen BS2 und BS3 ist, ebenso wie die Besetzung der niedrigaffinen Bindestelle BS4 durch ein weiteres BvgABH-P-Dimer, hauptsächlich auf kooperative Protein-Protein-Wechselwirkungen zurückzuführen. Das an BS4 gebundene BvgABH-P-Dimer befindet sich am weitesten stromabwärts und könnte zusammen mit der RNA-Polymerase die Initiation der Transkription gewährleisten. Ergebnisse aus den in vitro-Bindestudien sowie die unterschiedliche Zusammensetzung und Anordnung der putativen BvgA-Bindestellen der fhaB-Promotoren aus B. holmesii und B. pertussis deuten auf eine unterschiedliche Regulation dieser beiden Promotoren hin. So scheint der fhaB-Promotor aus B. holmesii, im Vergleich zum fhaB-Promotor aus B. pertussis, erst bei höheren Konzentrationen an phosphoryliertem BvgA gebunden und somit aktiviert zu werden. In B. holmesii wird vermutlich die konstitutive FHA-Synthese nach BvgAS-Stimulation durch die bvg-abhängige fhaBBH-Expression unterstützt, um eine erfolgreiche Infektion des Wirtes zu gewährleisten.
N2  - The Bordetella genus which are Gram-negative bacteria include nine species. The most important member of this genus is Bordetella pertussis, a strictly human pathogen and the agent of whooping cough. B. holmesii belongs to the so-called new Bordetella species and has been described for the first time in 1995 by Weyant et al.. Over time it has emerged as an important pathogen, which can cause pertussis-like disease in humans. Except for the bvgAS locus no “classical” virulence factors have been detected in B. holmesii so far. Here it was possible to identify a fhaB-homologous gene in B. holmesii G7702 (fhaBBH). The fhaBBH upstream region was found to contain an open reading frame, orfMP, encoding an putative membrane protein, which is also present in B. bronchiseptica and B. parapertussis. An IS1001-like IS element is located downstream of fhaB in B. holmesii (Karin Schmitt, personal communication). Thus the fhaB locus of B. holmesii exhibits significant differences compared to that of the B. bronchiseptica cluster and the other “new” Bordetella species. Sequence alignments indicated, that fhaB of B. holmesii is most similar to the homologue of B. avium on DNA as well as on protein level. This suggests a phylogenetic position of B. holmesii near B. avium. FhaBBH contains an N-terminal signal peptide domain, which in general is necessary for the sec-depending transport of proteins through the cytoplasmic membrane. Furthermore, a so-called TPS domain could be identified inside the FhaB of B. holmesii, suggesting the transport of FHABH to the bacterial surface and possibly secretion. Sequence analysis of FhaBBH also revealed a KGD motif, but no heparin binding and no carbohydrate binding site could be identified. Possibly the KGD motif could replace the RGD motif of “classical” FHA in receptor recognition. Cell culture experiments demonstrated that B. holmesii G7702 is able to adhere to A549 cells and that filamentous haemagglutinin plays a role as adhesion factor in B. holmesii. Thus the strain B. holmesii G7702 fhaB-, in which fhaBBH is deleted, exhibited a significantly lower adhesion rate compared to the wildtype strain. Furthermore, for the strain B. holmesii G7702 bvgA::kan, which cannot produce BvgA, a significant lower adhesion rate compared to B. holmesii G7702 and B. holmesii G7702 fhaB- could be observed. This leads to the assumption that fhaB expression in B. holmesii depends on BvgASBH. The adhesion behaviour of B. holmesii G7702 bvgA::kan also shows that in addition to FHA other adhesion factors, which are presumably regulated by the BvgASBH system, seem to be involved in host cell adhesion of B. holmesii. The regulation studies indicated, that fhaB transcription in B. holmesii can occur from three different promotors, two of which are constitutive (P1 and P2) and one which is under the control of the BvgASBH system (P3). In vitro, the phosphorylated form of BvgABH is able to bind to the fhaB upstream region of B. holmesii specifically. Inside the fhaB upstream region of B. holmesii, three putative BvgABH binding sites could be identified. These regions, named BS2-4, exhibit similarities to “inverted repeat” structures of the BvgA consensus sequence 5’- T/A T T C C/T T A -3’. Based on the in vitro and in vivo results concerning the characterization of the putative BvgABH binding sites, a model for BvgABH binding inside the fhaBBH upstream region was developed. According to that, BvgABH-P binds as a dimer first to the primary binding site BS2 with a high affinity. After that a second BvgABH-P dimer binds to BS3 inside the secondary binding region, which is located downstream of BS2. A possibly subsequent unspecific binding of two additional BvgABH-P dimers to the region between BS2 and BS3 and the occupation of BS4 results exclusively from cooperative protein-protein interactions. The BvgABH-P dimer, which binds to BS4, is located downstream and presumably interacts with the RNA polymerase in order to initiate fhaBBH transcription. Results from in vitro binding studies as well as the divergent structure and localisation of BvgA binding sites inside the fhaB promotors of B. holmesii and B. pertussis suggest a differential regulation of these two promotors. For activation of fhaB promotor of B. holmesii, higher concentrations of phosphorylated response regulator seem to be necessary compared to that for fhaB promotor activation in B. pertussis. Presumably in B. holmesii the constitutive fhaBBH expression is supported by the bvg-dependent fhaBBH expression as a result of a BvgASBH stimulating signal in order to guarantee successful infection of the host.
KW  - Bordetella
KW  - Adhäsine
KW  - Molekularbiologie
KW  - Bordetella holmesii
KW  - Filamentöses Hämagglutinin
KW  - BvgAS-System
KW  - Bordetella holmesii
KW  - filamentous hemagglutinin
KW  - bvgAS system
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-23049
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schmitt, Karin
T1  - Charakterisierung des BvgAS1,2-Regulons von Bordetella petrii
T1  - Characterization of the BvgAS1,2 regulon of Bordetella petrii
N2  - Die Gattung Bordetella, die phylogenetisch in die Gruppe der β-Proteobakterien eingeordnet und zur Familie der Alcaligenaceae gezählt wird, umfasst nach heutigem Wissenstand neun Gram-negative Arten. Die klassischen Bordetella-Arten B. pertussis, B. parapertussis und B. bronchiseptica werden im sogenannten B. bronchiseptica-Cluster zusammengefasst. Der strikt humanpathogene Erreger B. pertussis stellt als Verursacher des Keuchhustens das wohl bedeutendste Mitglied der Gattung dar. B. parapertussis ist der Verursacher von respiratorischen Erkrankungen in Menschen und Schafen, während B. bronchiseptica für Atemwegserkrankungen in verschiedenen Säugetieren verantwortlich gemacht wird. Zudem kann B. bronchiseptica für einen längeren Zeitraum in der Umwelt überleben. Die in den letzte Jahren identifizierten „neuen“ Bordetella-Arten, B. avium, B. hinzii, B. holmesii, B. trematum und B. ansorpii, wurden alle human- oder tierassoziiert isoliert und besitzen unterschiedliches pathogenes Potential, das zum Teil noch näher untersucht werden muss. Eine Ausnahme stellt der aus einer anaeroben dechlorinierten Flusssediment-Anreicherungskultur isolierte Keim B. petrii dar. Dieser ist bis zum heutigen Zeitpunkt der einzige Umweltkeim der Gattung Bordetella (von Wintzingerode, Schattke et al. 2001). In evolutionärer Hinsicht ist B. petrii besonders interessant, da er sowohl für orthologe Gene einiger Virulenzfaktoren der pathogenen Bordetellen kodiert, als auch die typischen Eigenschaften eines Umweltkeims aufweist und somit als Bindeglied zu fungieren scheint. Ein solcher Virulenzfaktor ist das BvgAS-System, das in den pathogenen Bordetellen den Hauptregulator der Virulenzgenexpression darstellt, aber in B. petrii strukturell komplexer aufgebaut ist. Neben dem auf Aminosäureebene hoch konservierten Response Regulator bvgA, finden sich in B. petrii Gene für zwei Histidinkinasen, bvgS1 und bvgS2, sowie eine unabhängige hpt-Domäne. Eine periplasmatische Sensordomäne fehlt in beiden Kinasen, und nur in BvgS1 konnte eine PAS-Domäne identifiziert werden. In den letzten Jahren wurden zunehmend B. petrii-Isolate aus den verschiedensten Habitaten isoliert, wie z.B. das Schwammisolate R521 (Sfanos, Harmody et al. 2005) und das klinisches Isolat aus einem Patienten mit mandibulärer Osteomyelitis (Fry, Duncan et al. 2005). Im Rahmen dieser Arbeit wurde über einen PCR-Ansatz versucht, mit aus der Wildtypsequenz abgeleiteten Oligonukleotiden das BvgAS1,2-System der Isolate zu sequenzieren, aber nur im klinischen Isolat konnte ein orthologes Genfragment zum Response Regulator bvgA identifiziert werden. Ein Nachweis der Histidinkinasen sowie der hpt-Domäne schlug in allen untersuchten Isolaten fehl. Die vergleichenden Genomanalysen mittels DNA-Microarrays konnten aufgrund fehlender Hybridisierungen keine weiteren Gemeinsamkeiten und Unterschiede auf DNA-Ebene zwischen den Isolaten und B. petrii DSM 12804 aufzeigen. B. petrii ist ein hoch variabler Umweltkeim, der sich an verschiedene Lebensbedingungen anpassen kann. Dies konnte auch durch die Isolation dreier phänotypisch unterscheidbare Varianten während eines Langzeitwachstumsversuches gezeigt werden (Lechner 2008). Durch die Genomsequenzierung von B. petrii DSM 12804 konnten wenigsten sieben genomischen Inseln beschrieben werden (Gross, Guzman et al. 2008), die durch unterschiedliche Exzision für die Entstehung der Varianten und daraus resultierend für die Variabilität in B. petrii verantwortlich sind. Im Rahmen dieser Arbeit konnte die Größe der einzelnen genomischen Inseln im Genom von B. petrii durch vergleichende Genomanalysen mittels DNA-Microarrays, mit Ausnahme von GI1, GI5 und GI6, im Vergleich zu den bioinformatischen Vorhersagen bestätigt werden. Diese Inseln zeigten in den Microarray-Analysen eine Vergrößerung bzw. Verkleinerung im Vergleich zu den zuvor beschrieben putativen Grenzen. Die große Instabilität des Genoms von B. petrii DSM 12804 konnte in dieser Arbeit auch durch Microarray-Analysen einzelner Klone aufgezeigt werden, die unterschiedliche Variationen im Bereich der genomischen Inseln aufwiesen. In den Analysen von B. petrii 12804 ΔbvgA bzw. ΔbvgAS konnten zusätzlich zu den gezielten Manipulation im BvgAS1,2-Lokus weitere Deletionen im Bereich von bpet0196-0200, bpet4219-4235 und bpet4176 detektiert werden. Die Re-Integration dieser Genbereiche nach Klonierung einer BvgA-Komplementationsmutante deutet auf eine extrachromosomale plasmid-ähnliche Struktur dieser Bereiche hin. Dies konnte im Rahmen dieser Arbeit nicht abschließend bestätigt werden und bleibt weiter zu untersuchen. Im Verlauf der evolutionären Entwicklung der Bordetellen wurde das BvgAS-System, das ursprünglich für die Adaption an Umweltbedingungen mit verschiedenen Sauerstoff-konzentrationen und/oder Temperaturen zuständig war, mit der Regulation der Expression der Virulenzgene verknüpft (von Wintzingerode, Gerlach et al. 2002). In den Transkriptomanalysen zur Untersuchung der Funktionalität des BvgAS1,2-Systems in B. petrii konnte aufgezeigt werden, dass die Temperatur ein wichtiger Signalgeber für die Expression des Flagellen- und Chemotaxisoperons ist. In B. bronchiseptica wird die Motilität, bei Temperaturen unter 25°C, negativ durch das BvgAS-System reguliert. Auch in B. petrii konnte in den Untersuchungen eine negative Regulation der Flagellen- und Chemotaxisgene durch das BvgAS1,2-System unter diesen Bedingungen detektiert werden. Ob aber in B. petrii die gleiche hierarchische Struktur zur Regulation der Motilität besteht wie in B. bronchiseptica, bleibt zu untersuchen. Im Verlauf der Untersuchungen konnte dem BvgAS-Zwei-Komponentensystem in B. petrii auch eine Funktion im Energiestoffwechsel eingeräumt werden, um auf wechselnde Sauerstoffbedingungen reagieren zu können. Die Messung des Sauerstoffgehaltes der Umgebung und damit eine Regulation der aeroben bzw. anaeroben Atmung erfolgt in B. petrii wahrscheinlich ebenfalls über das BvgAS1,2-System. Die in der Histidinkinase BvgS1 vorhergesagte PAS-Domäne scheint laut den Analysen für diesen Vorgang von großer Bedeutung zu sein. Desweiteren scheint das System auch die Zusammensetzung der Cytochromoxidase zur optimalen Anpassung an aerobe, mikroaerophile und anaerobe Bedingungen zu regulieren.
N2  - The genus Bordetella phylogenetically grouped within the beta-subclass of Proteobacteria and belonging to the family of the Alcaligenaceae comprises to date nine gram negative species. The classical Bordetella species B. pertussis, B. parapertussis and B. bronchiseptica are integrated in the so called B. bronchiseptica-cluster. The obligate human pathogen B. pertussis, as the agent of whooping cough, is the most important member of the genus. B. parapertussis is the agent of respiratory diseases in humans and sheep, whereas B. bronchiseptica causes respiratory diseases in various mammalian species. In addition, B. bronchiseptica has the ability to survive in the environment for a certain period of time. The in recent years identified “new” Bordetella species, B. avium, B. hinzii, B. holmesii, B. trematum and B. ansorpii, have all been isolated in association with humans and animals and exhibit different pathogenic potential, which partly have to be examined further. An exception is the species B. petrii, which was isolated from an anaerobic dechlorinating bioreactor culture enriched by river sediment. Up to date B. petrii represents the first environmental isolate of the genus Bordetella (von Wintzingerode, Schattke et al. 2001). B. petrii encodes both for several orthologous genes to virulence factors of the pathogenic Bordetellae and also shows the typical features of environmental bacteria, it might represent some sort of evolutionary missing link. A putative virulence factor is the BvgAS-systems, which demonstrates to be the master regulator for virulence gene expression in the pathogenic Bordetellae, but in B. petrii this system built-on in a much more complex way. In B. petrii could be identified a response regulator bvgA, which is conserved on amino acid level, two histidine kinase genes, bvgS1 and bvgS2, and a separate gene for the hpt-domain. A periplasmatic sensing domain is missing in both kinases and a PAS-domain could only identified in BvgS1. In the recent years an increasing number of B. petrii isolates could be isolated from various habitats, for example the sponge isolate R521 (Sfanos, Harmody et al. 2005) and the clinical isolate from a patient with mandibular osteomyelitis (Fry, Duncan et al. 2005). In this work a PCR approach, with oligonucleotides derived from the B. petrii wildtyp sequence, was used to sequence the BvgAS1,2-system of the isolates but only in the clinical isolate an orthologous gene fragment of the Response Regulator bvgA could be identified. A detection of the histidine kinases or the hpt-domain failed in all investigated isolates. The comparative genome analysis with DNA-microarrays showed no further similarities and differences between the isolates and B. petrii DSM 12804 because of missing hybridization. B. petrii is a highly variable environmental bacterium capable of adapting to different living conditions. This could be demonstrated by isolation of three phenotypically distinguishable variants during a long-term growth experiment (Lechner 2008). By genome sequencing of B. petrii DSM 12804, at least seven genomic islands could be described (Gross, Guzman et al. 2008), which are responsible for the development of variants and therefore for the variability of B. petrii by different excision. During this study, the size of each genomic island of B. petrii could be confirmed by comparative genome analysis with DNA-microarrays with the exception of GI1, GI5 und GI6 compared to bioinformatic predictions. These islands showed an extension and reduction in the microarray analysis, respectively. The high instability of the genome of B. petrii DSM 12804 could also be demonstrated by microarray analysis of individual clones in this doctorate, which show variations in the area of the genomic island. The analysis of B. petrii 12804 ΔbvgA and ΔbvgAS, respectively, illustrate the specific manipulations in the BvgAS1,2 locus and additional deletions in the area of bpet0196-0200, bpet4219-4235 and bpet4176. The re-integration of these genes into genome after cloning of a BvgA complement thereupon points to that these areas build a plasmid structure. During this work this could not be confirmed and needs to be investigated exhaustively. In progress of the evolutionary development of the Bordetellae, the BvgAS-system, originally envolved in adaption to environmental conditions with different concentrations of oxygen and/or temperatures, was connected with the regulation of the virulence gene expression (von Wintzingerode, Gerlach et al. 2002). In the transcriptomic analysis to evaluate the functionality of the BvgAS1,2-system of B. petrii it could be proofed that the temperature is an important factor for the expression of the flagella and chemotaxis operon. In B. bronchiseptica, the motility is negatively regulated by the BvgAS-system by temperatures below 25°C. Also, a negative regulation of the flagella and chemotaxis genes was detected in the investigation of B. petrii under these conditions. If there is the same hierarchic structure of the regulation of the motility in B. petrii like in B. bronchiseptica may be investigated. During the investigations the BvgAS two-component-system of B. petrii could admit a function in the respiratory control to respond to changing oxygen conditions. The sensing of the environment´s oxygen content and a regulation of the aerobic and anaerobic respiration, respectively, can be awarded to the BvgAS1,2-system in B. petrii. The predicted PAS-domain in the histidine kinase BvgS1 are obviously important during this process according to the analysis. In addition, the system seems to regulate the composition of the cytochrome oxidase well for optimal adaption to aerobic, microaerophilic and anaerobic environmental conditions.
KW  - Bordetella
KW  - Bordetella bronchiseptica
KW  - Microarray
KW  - Nitratatmung
KW  - Motilität
KW  - Genregulation
KW  - Bordetella petrii
KW  - BvgAS-System
KW  - Microarray
KW  - B. petrii-Isolate
KW  - B. petrii-Varianten
KW  - Bordetella petrii
KW  - BvgAS system
KW  - microarray
KW  - isolates of B. petrii
KW  - variants of B. petrii
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-53603
ER  -