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  - Horvat, Aleksandra
T1  - Untersuchungen zur Signalwahrnehmung der Sensorkinase BvgS des BvgAS-Zwei-Komponentensystems aus Bordetella bronchiseptica und Struktur-Funktionsanalyse des Response Regulator-Proteins BvgA aus Bordetella holmesii
T1  - Characterisation of signal perception of the BvgS sensorkinase of Bordetella bronchiseptica and molecular characterisation of the BvgA response regulator of Bordetella holmesii
N2  - Die Histidin-Kinase BvgS des BvgAS-Zwei-Komponentensystems gehört zu den unorthodoxen Histidin-Kinasen, die im Gegensatz zu den klassischen Sensorkinasen durch eine komplexere Domänen-Struktur gekennzeichnet ist. Schon seit längerem ist bekannt, dass BvgS durch niedrige Temperaturen oder die Anwesenheit von chemischen Substanzen, wie Sulfationen oder Nikotinsäure inaktiviert wird. Zudem konnte in vitro gezeigt werden, dass die Autophosphorylierungs-Aktivität der BvgS Histidin-Kinase nach Inkubation mit oxidiertem Ubichinon inhibiert wird (Bock & Gross, 2002). Bislang ist weitgehend unklar, welche Bedeutung die zusätzlichen Domänen, wie die periplasmatische-, PAS- bzw. HPt-Domäne für die Signalwahrnehmung besitzen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde deshalb nach Erstellung einer B. bronchiseptica spezifischen Genbank mit Hilfe des GAL4-Yeast Two-Hybrid (YTH) Systems nach Interaktionspartnern der einzelnen BvgS-Domänen gesucht. Nach dem Ausschluss von falsch-positiven Klonen und dem Durchlauf entsprechender Kontrollen konnten im YTH-System für die periplasmatische und die PAS-Domäne von BvgS insgesamt vier Interaktionspartner identifiziert werden. Für die HPt-Domäne konnte mit Hilfe des YTH-Systems kein möglicher Interaktionspartner gefunden werden. Als ein putativer Interaktionspartner der BvgS-PAS-Domäne wurde das BB0602-Protein identifiziert, das ein ATP-Bindeprotein darstellt, welches als Bestandteil eines ABC-Transport-System für den Transport von verzweigten Aminosäuren verantwortlich gemacht wird. Diese Interaktion konnte mittels eines GST-Pulldownassays bestätigt werden. Der biochemische Nachweis der übrigen identifizierten Protein-Interaktionen konnte im Rahmen dieser Arbeit nicht erbracht werden. Die Ergebnisse des YTH-Screenings deuten darauf hin, dass die Aktivität der BvgS Histidin-Kinase und damit die Virulenzgenexpression durch die An- bzw. Abwesenheit von verzweigten Aminosäuren beeinflusst werden könnte. Im Rahmen dieser Arbeit konnte die Relevanz der Interaktion zwischen der PAS-Domäne und dem ATP-Bindeprotein BB0602 nicht näher charakterisiert werden, so dass in Zukunft unter anderem die Konstruktion einer B. bronschiseptica bb0602-Deletionsmutante geplant ist, um somit mögliche Auswirkungen auf die Expression von bvg-abhängigen Genen zu beobachten. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit lag in der Struktur-Funktionsanalyse des Response Regulators BvgA aus B. holmesii (BvgABH). Kürzlich konnte gezeigt werden, dass trotz der umfangreichen Sequenzkonservierung der BvgA-Proteine aus B. holmesii und B. pertussis, eine B. pertussis bvgA-Mutante nicht durch den bvgA-Lokus aus B. holmesii komplementiert werden konnte (Gerlach et al., 2004). Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein hybrider Response Regulator BvgAfus konstruiert, der aus der Receiver- und Linker-Domäne des BvgABH-Proteins und der Output-Domäne von BvgABP zusammengesetzt ist. Voraussetzung hierfür war die Kenntnis der einzelnen Domänengrenzen und die Sequenz des Linker-Bereiches des Response Regulators BvgA aus B. pertussis (BvgABP), welche durch limitierte Proteolyse und massenspektrometrische Methoden identifiziert wurden (Bantscheff et al., 2000). Im Falle des hybriden Proteins konnte im Gegensatz zu BvgABH eine Bindung an BvgABP-abhängige Promotorsequenzen beobachtet werden. Zudem war BvgAfus in der Lage, die Expression BvgABP-abhängiger Gene in vivo zu induzieren. Allerdings war es in seiner Phosphorylierungseffizienz im Vergleich zum wildtypischen Response Regulator-Protein aus B. holmesii eingeschränkt. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die wenigen Abweichungen zwischen den Aminosäuresequenzen der Output-Domänen dafür verantwortlich sind, dass das BvgABH-Protein die Funktion von BvgABP in vivo und in vitro nicht übernehmen kann. So unterscheiden sich die Output-Domänen der Response Regulatoren aus B. pertussis und B. holmesii in zehn Aminosäureaustauschen, wobei davon vier Aminosäuren innerhalb des Helix-Turn-Helix-Motives verändert sind. Um zu untersuchen, ob die unterschiedlichen DNA-Binde- und transkriptionsaktivierenden Eigenschaften von BvgABH im Besonderen auf diese Aminosäureunterschiede zurückzuführen sind, wurden mittels ortspezifischer Mutagenese die Aminosäuresequenz innerhalb des Helix-Turn-Helix-Motives an die Sequenz aus B. pertussis angeglichen. Das resultierende Protein BvgABH* zeigte eine dem wildtypischen BvgABH-Protein ähnliche Phosphorylierungseffizienz, war aber nicht in der Lage, BvgABP-abhängige Zielsequenzen spezifisch zu erkennen bzw. die Funktion des BvgABP-Proteins in vivo zu ersetzen. Dieses Ergebnis lässt vermuten, dass die wenigen Aminosäureunterschiede der Output-Domäne außerhalb der DNA-Binderegion zwar nicht im Zusammenhang mit der Phosphorylierungseffizienz stehen, jedoch die DNA-Bindeeigenschaften beeinflussen.
N2  - The BvgS protein of the BvgAS two-component system belongs to the family of unorthodox histidine-kinases, which are characterized by a more complex domain-structure compared to the classical sensor proteins. Since a long time it is known that the activity of BvgS can be modulated by several external stimuli. At low temperature or in the presence of nicotinic acid or sulfate, the protein is inactivated in vivo and therefore the respective system is switched off under these conditions. Moreover, it has been shown that the incubation of BvgS with oxidized ubichinone had an inhibitory effect on the autophosphorylation activity of the kinase (Bock & Gross, 2002). So far, the relevance for the signal perception of the additional BvgS-domains, like the periplasmic, the PAS- or the HPt-domain is still unclear. Therefore in this work a self-constructed Bordetella bronchiseptica specific gene bank was screened with the periplasmic, the PAS- and the HPt-Domain of BvgS for protein-interactions in the GAL4-yeast two-hybrid (YTH) system. All together four putative protein-interactions were found in the case of the periplasmic and the PAS domain after exclusion of false-positive clones and after going through corresponding controls, while on the other hand no protein interaction could be detected for the HPt domain. Among the detected putative protein interactions of the PAS domain the protein BB0602 was identified as an ATP binding protein of an ABC transport system for branched chain amino acids. This interaction could also be verified by GST-pull down assay. The biochemical proof for the other protein interactions still remains to be done. The results of the YTH screening indicate that the activity of BvgS and therefore the virulence gene expression might be influenced by the presence or absence of branched chain amino acids. Among others characterization of a B. bronchiseptica bb0602 deletion mutant with respect to the possible effect on the expression of bvg-dependent genes will further elucidate the relevance of the detected protein interaction between the BvgS-PAS domain and the BB0602 protein. Another aim of this work was the structural and functional characterization of the response regulator BvgA of B. holmesii (BvgABH). Recently, it was shown that despite extensive sequence conservation between the response regulator BvgA of B. holmesii and BvgA of B. pertussis (BvgABP), the BvgABH protein is not able to replace the function of the BvgABP protein in vitro and in vivo (Gerlach et al., 2004). Therefore in this work a hybrid response regulator protein BvgAfus was constructed, which contains the receiver and the linker domain of BvgABH and the output domain of BvgABP. A Prerequisite for this experiment was the knowledge of domain borders and linker sequences of BvgABP, which have been identified by means of limited proteolysis in combination with mass spectrometric methods (Bantscheff et al., 2000). In contrast to the BvgABH protein, the hybrid response regulator BvgAfus showed binding to BvgABP-dependent promoter sequences. Additionally, BvgAfus was able to induce the expression of BvgABP-dependent genes in vivo. But compared to the wild-type protein BvgABH the hybrid response regulator BvgAfus was limited in its phosphorylation efficiency. These results indicate that the inability of BvgABH to complement BvgABP in B. pertussis is due to the small number of sequence variations present in its output domain. The output domains of BvgABH and BvgABP differ in ten amino acids of which four amino acid substitutions are located in the helix-turn-helix motif (HTH). To investigate whether the different binding and transcription activating properties of BvgABH are due to the sequence variations in the HTH, the sequence was adjusted as compared to BvgABP by means of site directed mutagenesis. The resulting protein BvgABH* showed similar phosphorylation efficiency compared to the wild-type protein BvgABH but no specific binding to BvgABP-dependent promoter sequences and was not able to replace BvgABP functionally in vivo. This result indicates that the few additional amino acid differences outside of the HTH present in the output domain of BvgABH which do not interfere much with the phosphorylation efficiency of the protein influence its DNA binding properties. The identification of further BvgABH regulated genes of B. holmesii and the characterization of BvgABH binding sites will help to further clarify the functional differences between the orthologous BvgA proteins of B. holmesii and B. pertussis.
KW  - Bordetella
KW  - Genregulation
KW  - Bordetella
KW  - Genregulation
KW  - Bordetella
KW  - gene regulation
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-21991
ER  -