Anja Halscheidt

• In der vorliegenden Arbeit wurde zunächst die Konservierung bekannter RpoS-assoziierter Funktionen für das V. cholerae Homolog untersucht. Dabei ergab die phänotypische Analyse der rpoS-Deletionsmutante, dass analog zu der Bedeutung als Regulator des Stationärphasen-Wachstums in E. coli, definierte Zelldichte-abhängige Eigenschaften in V. cholerae gleichermaßen der Kontrolle von RpoS unterliegen. In weiterführenden Experimenten konnte daraufhin die Konservierung der entsprechenden Promotorstrukturen über die funktionelle KomplementierungIn der vorliegenden Arbeit wurde zunächst die Konservierung bekannter RpoS-assoziierter Funktionen für das V. cholerae Homolog untersucht. Dabei ergab die phänotypische Analyse der rpoS-Deletionsmutante, dass analog zu der Bedeutung als Regulator des Stationärphasen-Wachstums in E. coli, definierte Zelldichte-abhängige Eigenschaften in V. cholerae gleichermaßen der Kontrolle von RpoS unterliegen. In weiterführenden Experimenten konnte daraufhin die Konservierung der entsprechenden Promotorstrukturen über die funktionelle Komplementierung rpoS-abhängiger Gene durch das jeweils speziesfremde Protein aufgedeckt werden. Dahingegen konnte die Bedeutung von RpoS bei der Ausprägung der generellen Stress-Resistenz u. a. in E. coli für das V. cholerae Homolog über den gewählten experimentellen Ansatz nicht belegt werden. So wurden in Survival-Assays für keine der getesteten Stress-Bedingungen signifikante Unterschiede zwischen rpoS-Mutante und Wildtyp ermittelt. Die in E. coli gezeigte intrazelluläre Anreicherung des Sigmafaktors unter diversen Stress-Situationen konnte ebenfalls nicht nachgewiesen werden. Hinsichtlich der potentiellen Stellung von RpoS als globaler Regulator für Virulenz-assoziierte Gene, unterstützen und ergänzen die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit die gegenwärtige Theorie, wonach RpoS das Ablösen der V. cholerae Zellen vom Darm-Epithel fördert. Die postulierte Bedeutung des alternativen Sigmafaktors in der letzten Phase der Pathogenese wurde über die RpoS-abhängige Sekretion der Mukin-degradierenden Protease HapA und die hier unabhängig nachgewiesene Transkriptionskontrolle von Chemotaxis-Genen bestätigt. In E. coli gilt als entscheidender Parameter für die dargelegten RpoS-Funktionen die intrazelluläre Konzentration des Masterregulators. Deshalb war ein weiteres zentrales Thema dieser Arbeit die Regulation des RpoS-Levels in V. cholerae. Neben der Identifizierung von Bedingungen, welche die RpoS-Expression beeinflussen, wurde vorrangig der Mechanismus der Proteolyse analysiert. Dabei wurden als RpoS-degradierende Komponenten in V. cholerae die Homologe des Proteolyse-Targetingfaktors RssB und des Protease-Komplexes ClpXP identifiziert. Die weitere Untersuchung der RpoS-Proteolyse ergab außerdem, dass bestimmte Stress-Signale den Abbau stark verzögern. Interessanterweise resultierten die gleichen Signale jedoch nicht in der Akkumulation von RpoS. Als weiterer Unterschied zu der bekannten Proteolysekaskade in E. coli zeigte sich, dass das V. cholerae Homolog der RssB-aktivierenden Kinase ArcB (FexB) an der RpoS-Proteolyse nicht beteiligt ist. Indessen deuten die Ergebnisse weiterführender Experimente auf den Einfluss der Kinasen CheA-1 und CheA-3 des V. cholerae Chemotaxis-Systems auf die RpoS-Degradation. Aus diesem Grund wurde in der vorliegenden Arbeit ein zu E. coli abweichendes Modell der RpoS-Proteolyse postuliert, in welchem die aktiven CheA-Kinasen den Targetingfaktor RssB phosphorylieren und somit den Abbau einleiten. Die Beteiligung von MCP-Rezeptoren an der Kontrolle der intrazellulären RpoS-Konzentration und damit an der Transkription der Chemotaxisgene selbst, beschreibt erstmalig ein Regulationssystem, wonach innerhalb der Chemotaxis-Kaskade die Rezeptoraktivität wahrscheinlich über einen positiven „Feedback-Loop“ mit der eigenen Gen-Expression gekoppelt ist. Darüber hinaus deutete sich die Beteiligung der ATP-abhängigen Protease Lon an der RpoS-Proteolyse-Kaskade in V. cholerae an. Die Inaktivierung der in E. coli unter Hitzeschock-Bedingungen induzierten Protease resultierte in einem extrem beschleunigten RpoS-Abbau. Ein letztes Teilprojekt dieser Arbeit adressierte die Regulationsmechanismen der V. cholerae Osmostress-Adaptation. Während in E. coli der alternative Sigmafaktor dabei eine zentrale Rolle spielt, konnte die Beteiligung des V. cholerae RpoS an der Osmostress-Regulation jedoch nicht aufgedeckt werden. Dafür ergab die Funktionsanalyse eines neu definierten Osmostress-Sensors (OsmRK) die Kontrolle von ompU durch dieses Zwei-Komponentensystems unter hypertonen Bedingungen. Dieses Ergebnis überraschte, da bislang nur der Virulenzfaktor ToxR als Regulator für das Außenmembranporin beschrieben wurde. Die nachgewiesene ompU-Transkriptionskontrolle durch zwei Regulatoren führte zu der Hypothese eines unbekannten regulativen Netzwerkes, welchem mindestens 52 weitere Gene zugeordnet werden konnten. Insgesamt ist festzuhalten, dass die in dieser Arbeit durchgeführte molekulare Charakterisierung der RpoS-Proteolyse in V. cholerae Beweise für eine mögliche Verbindung zwischen der Transkriptionskontrolle für Motilitäts- und Chemotaxisgene mit der Chemotaxis-Reizwahrnehmung erbrachte. Eine derartige intermolekulare Verknüpfung wurde bislang für keinen anderen Organismus beschrieben und stellt somit eine neue Variante der Signaltransduktion innerhalb der Virulenz-assoziierten Genregulation dar.…
• In the present work conserved function of RpoS in E. coli was approached for its homolog in V. cholerae. Comprehensive phenotypical analysis of rpoS-mutant and wildtype revealed the involvement of RpoS in growth-phase-dependent processes, according to RpoS-function as stationary phase regulator in E. coli. In further experiments the conservation of RpoS-promoters in both species could be shown. To the contrary, the well-known function of E. coli RpoS as general stress-regulator could not be demonstrate for V. cholerae: By testing several stressIn the present work conserved function of RpoS in E. coli was approached for its homolog in V. cholerae. Comprehensive phenotypical analysis of rpoS-mutant and wildtype revealed the involvement of RpoS in growth-phase-dependent processes, according to RpoS-function as stationary phase regulator in E. coli. In further experiments the conservation of RpoS-promoters in both species could be shown. To the contrary, the well-known function of E. coli RpoS as general stress-regulator could not be demonstrate for V. cholerae: By testing several stress conditions in survival assays, no significant differences were determined between rpoS mutant and wildtype. Additionally, the intracellular mode of RpoS accumulation in E. coli due to different stress conditions was also not observed in V. cholerae. Regarding the putative role of RpoS as a regulator for virulence-associated genes, the inhere described data support and complement the current theory of RpoS being involved in mucosal detachment of V. cholerae cells. In E. coli the intracellular concentration of RpoS is a decisive parameter for its described function. So far the homologs of the proteolysis targeting factor RssB and the ATP-depending terminal protease complex ClpXP were identified to be involved in V. cholerae RpoS-proteolysis. Further characterization also unravelled, that various stress signals slow down that degradation. But such conditions did not yield in the RpoS accumulation. Based on these differences to the E. coli dynamics of RpoS-degradation additional investigations were performed to gain more insights into the regulatory path of RpoS degradation in V. cholerae. In E. coli the ArcB kinase ist the sensor kinase for regulating the activity of RssB. In this study fexB was identified as arcB homolog in V. cholerae. But by monitoring the RpoS stability in the corresponding knock-out mutant no effect could be observed. Therefore the ArcB-system is not influencing RpoS stability in V. cholerae. Knowing, that RpoS is a major regulator for motility and chemotaxis in V. cholerae, it was investigated next whether other signal-kinases are involved in RpoS proteolysis. Thereby, the known chemotaxis kinases were tested. Knockout mutants of cheAs and subsequent analysis of RpoS half-life revealed, that cheA-1 and cheA-3 did alter RpoS proteolysis to slow down the degradation, whereas cheA-2 mutant did not. Therefore, it can be postulated, that a different mode of RpoS-proteolysis is operating in V. cholerae in which active CheA-1 and CheA-3 may be responsible for RssB phosphorylation, hence leading to RpoS degradation. That kind of interaction may also include the output signalling of the MCP-receptors regulating CheA kinase activity. Since the cheA genes are also under transcriptional control by RpoS a new regulation system can be postulated, where MCP signal output links transcriptional regulation of motility and chemotaxis via RpoS stability in a “positive feedback loop”. Additionally, data are presented, where the ATP depending protease Lon is also involved in RpoS proteolysis in an inverted manner. Lon, which in E. coli is a heat shock induced protease, seems to recognize and degrade substrates in V. cholerae operating in RpoS degradation in the RssB-depending branch. That phenotype was observed as an accelerated RpoS degradation in a lon background. Finally, the complex regulatory pathway of osmo-regulation was characterized. In E. coli RpoS plays a central role. However, in V. cholerae RpoS could not be identified to participate in osmo-regulation, instead a new defined osmostress-sensor (OsmRK) was characterized. In first analysis, it was found that osmRK knockout mutants showed a deregulated ompU expression under hyperosmotic conditions. Considering, that so far only the well known virulence regulator ToxR was identified to act on the ompU promoter, a novel regulatory network was suggested, which regulates at least further 52 genes. In summary, the components of RpoS proteolysis in V. cholerae were unravelled and characterized. Additionally, evidence could be gathered, which indicates a linkage between transcriptional control of motility and chemotaxis genes and the chemotaxis-signalling pathway. So far, such an regulatory pathway has not been described before and would represent a novel branch of signal transduction in bacteria.…