Pathophysiologie – Seminar II - the

Bakterielle
Kommunikation
Ilkay Sakalli
Betreuerin: Susanne Krug
Pathophysiologie II
Sommersemester 2007
Inhalt
i.
ii.
iii.
iv.
v.
vi.
vii.
viii.
Einleitung
Quorum Sensing – Was ist das?
Vorstellung einiger Signalmoleküle
2-component-Regulationssysteme und Verhaltensmuster
Quorum Quenching
Austausch zwischen Prokaryonten und Eukaryonten
Zusammenfassung und Ausblick
Literaturverzeichnis
Bakterielle Kommunikation
i. Einleitung
Schon vor fast 300 Jahren beschrieb Anton von Leeuwenhoek, ein geschickter
Mikroskopbauer aus Großbritannien, unglaubliche kleine Tierchen im menschlichen Zahn,
die nicht dicker als ein menschliches Haar waren und in der Mundflora in solcher Vielzahl
auftraten, als es überhaupt Männer im damaligen United Kingdom gab.
Erst seit 1965 und 1970 wissen wir aus bahnbrechenden Entdeckungen von Alexander
Tomasz und Kenneth H. Nealson, dass diese Tierchen, die Bakterien, meist in Populationen
aus mehreren Millionen Individuen bestehen und unterschiedliche Kommunikationsformen
untereinander betreiben. Beide Forscher formulierten zum ersten Mal unabhängig
voneinander die Form des Quorum Sensing und wie Bakterien mithilfe eines Austausches
ihre Regulationsmechanismen untereinander steuern und durch Signalmoleküle ihre
Genexpression beeinflussen.
In dieser kurzen Abhandlung geht es um verschiedene Formen der Kommunikation von
Bakterien untereinander – und nach außen hin. Dieses noch relativ neue wissenschaftliche
Gebiet, zu dem es erst seit ungefähr 5 Jahren vermehrt Publikationen gibt, gilt es weiter zu
erforschen und eine neue Sprache, „Bacterial Esperanto“, zu erlernen, sodass wir uns, kennen
wir erst einmal die verschiedensten Kommunikationswege der Bakterien, neue und vielleicht
bahnbrechende Anwendungen erschließen werden.
ii.
Quorum Sensing – Was ist das?
Als Quorum Sensing wird die Fähigkeit von Bakterien bezeichnet, untereinander durch
Signalmoleküle zu kommunizieren. Es erlaubt Bakterien-Populationen die Populationsdichte
zu messen und entsprechend zu reagieren. Ist die Anzahl der Bakterien gering, so wird die
Dichte zunehmen, ist sie zu hoch, so wird das Wachstum an Geschwindigkeit abnehmen, da
Bakterien, die in der Populationsschicht unterhalb liegen, von der Masse erdrückt und durch
die Lyse der Zellwand zerplatzen.
Diese Art der Kommunikation geschieht mit Hilfe von Autoinducern, die die Bakterien
exprimieren. Ist die Zelldichte hoch, so werden ab einer gewissen Konzentration mehr
Autoinducer synthetisiert, aus der Zelle geschleust und von anderen Bakterien importiert. Ist
die Dichte gering, so werden demensprechend weniger Autoinducer exprimiert (Abb. 1).
Abb. 1: Quorum-Sensing und die Ausschüttung von Autoinducern.
Dargestellt sind zwei Bakterien und ihr Austausch.
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1970 beschrieb Kenneth H. Nealson, Terry Platt und J. Woodling Hastings diesen
Mechanismus
anhand
des
bioluminiszierenden
Bakteriums Vibrio Fischeri.
Ist die Zelldichte gering (Abb. 3), so wird das Gen für
LuxR transkribiert und translatiert, sodass eine geringe
Menge an LuxR-Proteinen vorliegt. In dieser Phase lagert
sich die Polymerase an die lux-Box weniger häufig an,
sodass nur wenig LuxI und weitere Gene exprimiert und
letztendlich der Autoinducer 3-oxo-C6-HSL in einer
geringen Konzentration vorliegt.
Abb. 2: Bioluminiszierendes
V. Fischeri
Abb. 3: Bei geringer Zelldichte ist die Konzentration
des Autoinducers 3-oxo-C6-HSL gering.
Anders sieht es aus, wenn die Dichte der Zellpopulation hoch ist (Abb. 4). In diesem Fall
bindet sich der Autoinducer an das LuxR Protein, sodass eine Anlagerung am LuxR die
Wahrscheinlichkeit der Polymerase erhöht, an der lux-Box anzudocken und die
Transkriptionsmaschinerie zu beginnen. Hierdurch wird mehr LuxI, welches zum
Autoinducer umgewandelt wird, exprimiert und exportiert. Auch die Expression des 3-oxoC6-HSL benachbarter Bakterien wird ab einer bestimmten Konzentration hochreguliert.
Durch das Ablesen der weiteren Gene (C bis G) stehen nun beim V. Fischeri Proteine zur
Verfügung, die die Biolumineszenz des Bakteriums fördern und dadurch das Bakterium
heller aufleuchten lassen.
Abb. 4: Erhöht sich die Zelldichte, so wird LuxR
aktiviert. Dies führt indirekt zur starken Zunahmen
von 3-oxo-C6-HSL
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Bakterielle Kommunikation
iii. Vorstellung einiger Signalmoleküle
So wie es viele verschiedene Bakterienarten gibt, so gibt es auch verschiedene
Signalmoleküle neben den bereits Beschriebenen.
Acyl-homoserin Lactonase (AHL)
Interessant ist es aber, wie später noch erklärt wird,
dass einige dieser Signalmoleküle auch von anderen
O
O H
Bakterienarten transferiert werden und zu einer
N
Coremolekül
O
R
Antwort führen. Bei gram-negativen Bakterien sind
die Autoinducer meist Acyl-Homoserin-Lactone und
werden durch LuxI (siehe obiges Beispiel)
Restgruppen
O
mit einigen
synthetisiert.
LuxI (V. fischeri)
Beispielen:
Im Gegensatz hierzu finden sich bei gram-positiven
Bakterien meist kurze Peptide, die leichten
chemischen Modifikationen unterliegen. Dies ist am
Beispiel des kurzen Peptids AIP beschrieben (Punkt
iv). Das AIP (Autoinducer Peptide) besitzt
Oligopeptid Autoinducer
Ser
Phe
Ser Cys
Tyr
Thr S
Ile
Met
C
Ser
Asn Cys
Gly
Val
Ala
S
C
RHII (P. aeruginosa)
O
Lasl (P. aeruginosa)
unterschiedliche Modifikationen und bindet daher
unterschiedlich oft an Rezeptorbindungsstellen,
die wiederum eine intrazelluläre Kaskade als
Antwort hervorrufen.
O
O
AIP-I (S. aureus)
Leu
Phe
LuxM (V. harveyi)
AIP-II (S. aureus)
AI-2 dagegen (Autoinducer-2), das ein Derivat des
Phe
4,5-Dihydroxy-2,3-Pentanedion (DPD) ist, scheint
Phe
Asp
Leu
Ile
Tyr
ein Signal zu sein, dass bei unterschiedlichen
Leu
Ile Cys
Met
Ser Cys
Asn S C
Tyr
Thr S C
Bakterien eine Antwort auslöst und universeller
O
O
Natur („Bacterial Esperanto“) ist.
Darüber hinaus gibt es noch Signale wie das
AIP-IV (S. aureus)
AIP-III (S. aureus)
2-Heptyl-3-hydroxy-4-quinolone (PQS). Dieses Molekül kommt beim Bakterium Pseudomonas
aeruginosa vor. Da dies ein eher hydrophobes Molekül und in der wässrigen Lösung nur
schwer zu transportieren ist, wird es von Vesikeln mittels Exocytose aufgenommen und zu
anderen Bakterien transportiert (Abb. 5). Dort verschmilzt das Vesikel mit der Zellmembran
und schüttet das PQS intrazellulär aus. Bei gleichartigen P. aeruginosa erfüllt das Signal
Regulationsmechanismen
bei
der Genexpression, doch auf
andere Bakterienarten hat es
meist
eine
antibiotische
Wirkung und zerstört diese
Bakterien.
Neben weiteren Signalmolekülen wie dem SapB bei
Streptomyces coelicolor, das für
Abb. 5: Gemischte Nachrichten mit PQ-Signal
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Asp
OH
Bakterielle Kommunikation
die morphologische Differentiation und für die Metabolitproduktion zuständig ist, gibt es
auch Signalmoleküle wie den Nod-Factor beim Rhizibium meliloti. Dieser Faktor begünstigt
die Knöllchenbildung des Bakteriums und verändert dadurch sein Verhalten.
iv. 2-component-Regulationssysteme und Verhaltensmuster
Es gibt weitere Systeme, die ein wenig komplizierter aufgebaut sind und eine
Differenzierung von unterschiedlichen Verhaltensweisen oder Genexpressionsprofilen
hervorrufen. Eines dieser Systeme bildet das 2-component-Regulationssystem. Hierbei
können Autoinducer gleichzeitig zwei verschiedene Reaktionswege in Gang setzen. Als
Beispiel sei dies am Regulationssystem des Staphylococcus aureus erklärt. Wie in Punkt iii
beschrieben, wirkt hier das kurzkettige Peptid, AIP, als Autoinducer und aktiviert einen
AgrC-Rezeptor, der das Protein AgrA phosphoryliert und dadurch aktiviert. Hierdurch wird
die Anlagerung der Polymerasen an die Promotorstellen P2 und P3 begünstigt, sodass
RNAIII sowie weitere Gene exprimiert werden können. In diesem Fall reguliert die RNAIII
Faktoren der Sekretion positiv und hemmt die Aktivität von Adhäsionsproteinen. Die
Expression von verschiedenen Genen, wie z.B. agrD begünstigt die Translation von AgrD,
welches wiederum aus der Zelle exportiert, modifiziert und als AIP weiterhin als
Autoinducer fungieren kann. (Abb. 6)
Abb. 6: Das 2-component-Regulationssystem
Noch komplexer wird die Regulation wenn mehrere Autoinducer zusammen
wechselwirken. Es sei z.B. das Verhalten „Sporulation“ und „Kompetenz“ am Beispiel des
Bacillus subtillus gezeigt (Abb. 7). Hier wirken zwei Petide, ComX (AS-Sequenz:
ADPITRQWGD) und CSF (AS-Sequenz: ERGMT), als Autoinducer. ComX wird durch den
Kanal ComQ exportiert. Dabei entsteht direkt der Autoinducer ComX, welcher wiederum
am Transmembranrezeptor ComP bindet. Dieser phosphoryliert das intrazellulär
vorhandene ComA. Bei hoher Konzentration des ComA führt dies zum Kompetenzverhalten
des Bakteriums. Auch eine Vorstufe des CSF, PhrC, wird aus der Zelle exportiert, sodass der
Autoinducer CSF entsteht. Dieses Molekül wird durch den Peptidtransporter Opp importiert
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und hat eine hohe inhibierende Wirkung auf die Phosphorylierung des ComA sowie eine
geringe inhibierende Wirkung auf RapC, welches in hoher Konzentration das
Kompetenzverhalten mindert. Auch wirkt CSF inhibierend auf RapB, sodass RapB nicht
mehr Spo0F durch Dephosphorylierung inaktivieren kann. Dessen aktivierte Form führt
zum Verhalten der Sporulation des Bakteriums. Ist demnach viel CSF vorhanden, so wird
ComA nicht mehr aktiviert, RapB inhibiert, sodass Spo0F aktiviert bleibt und RapC in
geringem Maße hemmt, sodass die Kompetenzaktivität nur leicht gemindert wird. Ist
wiederum viel ComX vorhanden, so wird das Bakterium häufiger freie DNA aus der
Umgebung aufnehmen.
Abb. 7: Wirkung von verschiedenen Autoinducern bei der
Kontrolle der Verhaltensmuster „Kompetenz“ (Fähigkeit eines
Bakteriums frei vorhandene DNA aufzunehmen) und
„Sporulation“ (Sporenbildung bei z.B. Nahrungsmangel)
Kommunikation kann somit unterschiedliche Einflüsse auf Regulationssysteme von
Bakterien haben, wobei diese Systeme von Signalen abhängen, welche diese und bakterielle
Verhaltensweisen unterschiedlich komplex regulieren.
Zudem gibt es auch weitere Systeme, die unterschiedliche Prioritäten haben. Es bestehen
übergeordnete Systeme, welche erst bei Aktivierung untergeordnete Systeme aktivieren. Ein
Beispiel hierfür bildet das hierarchisch angeordnete Las-/Ras-System. Las und Rhl
regulieren die Produktion verschiedener Virulenzfaktoren über die Signalmoleküle 3-oxoC12-HSL bzw. C4-HSL. Bei hohen Zelldichten erhöht sich die Anzahl der von LasI bzw. RhlI
synthetisierten Autoinducer, die bei Erreichen einer Schwellenwertkonzentration an die
Transkriptionsregulatoren LasR bzw. RhlR binden. Die aktivierten Komplexe LasR/3-oxoC12-HSL bzw. RhlR/C4-HSL induzieren sowohl die Synthese der Signalmoleküle
(Autoinduktion) als auch die Expression verschiedener Virulenzfaktoren.
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Bakterielle Kommunikation
v.
Quorum Quenching
Beim Quorum Quenching wirken die Autoinducer inaktivierend. Sie lagern sich als
Antagonisten kompetetiv an Rezeptorbindestellen an, sodass andere Moleküle Rezeptoren
nicht mehr aktivieren bzw. ihre eigene Aktivität erniedrigt wird. Die Autoinducer können
aber auch die Wahrscheinlichkeit der Bindung an Promotorstellen erniedrigen oder an
Enzyme/Proteine binden und dadurch diese inaktivieren (Abb. 8).
Abb. 8: Allgemeines Prinzip des Quorum Quenching
Das Quorum Quenching von Bakterien findet in der Industrie nützliche Anwendung. Als
Beispiel sei der Chinakohl (Brassica rapa ssp. pekinensis) genannt (Abb. 9). Der Kohl wird vom
Bakterium Erwinia carotovora schon nach wenigen Tagen stark befallen (dunkle Färbung des
Wildtyps [WT]). Wird jedoch der Chinakohl mit AHL-Lactonase, aiiA, beimpft, so wirkt die
Lactonase AHL-degradierend. E. carotovora kann seine Autoinducer nicht mehr in hoher
Konzentration herstellen, da diese abgebaut und inaktiviert werden. Es findet ein Quorum
Quenching statt, wodurch die Bakterienpopulation nicht stark zunimmt und den Chinakohl
kaum befällt.
Abb. 9: Chinakohl. Links der Zustand nach
3 und 6 Tagen mit Beimpfung von aiiA.
Rechts der Zustand des Wildtyps ohne
Beimpfung. Der Wildtyp wird vom
Bakterium befallen, der beimpfte Typ bleibt
gut erhalten.
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vi. Austausch zwischen Prokaryonten und Eukaryonten
Neben dem Austausch von Bakterien unterschiedlicher Typen untereinander, deren Signale
zum Abbau von Zellen anderer Bakterienarten sowie zum Fratrizid führen kann, gibt es
auch eine gewisse Kommunikation zwischen Prokaryonten und Eukaryonten.
Das gram-positive Bakterium Enterococcus faecalis exprimiert Cytolysine mit jeweils zwei
Untereinheiten, die bei Abwesenheit einer Wirtszelle in geringer Konzentration vorhanden
sind. Das Protein besteht aus der kleinen Untereinheit, dem CylL S, und der großen
Untereinheit CylLL. Ist nun ein Wirt anwesend, so bindet das Cytolysin an die Wirtszelle.
Durch eine Konformationsänderung dissoziiert die kleine Untereinheit CylL S ab, gelangt in
die Bakterienzelle und löst dort eine erhöhte Expression des gesamten Proteins aus. Ist nun
das Cytolysin in hoher Konzentration vorhanden, so bindet es häufiger an die Wirtszelle,
sodass es zur Auflösung (Lyse) der äußeren Zellmembran und dadurch zum Zelltod der
Wirtszelle führt (Abb. 10).
Abb. 10: Darstellung der Lyse der Wirtszelle bei Anlagerung von Cytolysinen an der äußeren
Zellmembran, die vom E. faecalis exprimiert werden.
vii.
Zusammenfassung und Ausblick
Es gibt unterschiedliche Formen der Kommunikation gleicher Bakterienarten untereinander,
aber auch zwischen verschiedenen Bakterienarten. Das Quorum Sensing zwischen
Prokaryonten erfolgt über Signale, den Autoinducern, die in Regulationsmechanismen
intrazellulär eingreifen, die Genexpression verändern und dadurch auch verschiedene
Verhaltensweisen von Bakterien hervorrufen können. Dadurch können sich diese besser an
ihre Umwelt anpassen. Quorum Quenching inhibiert bestimmte Signalwege, welche auch
Verwendung in neuen technischen Verfahren der Konservierung finden können.
Letztendlich gibt es auch die kürzlich entdeckte Kommunikation von Prokaryonten mit
Eukaryonten, wodurch sich beide gegenseitig beeinflussen können.
Wenn es in Zukunft gelingt, die unterschiedlichen Kommunikationsformen der Bakterien
weiter zu verstehen und allgemeine Prinzipien aufzudecken, liegt es nicht fern, Bakterien
umzugestalten und damit neue Nutzungsmöglichkeiten in Forschung und Industrie zu
entwickeln. Die Erforschung der bakteriellen Kommunikation hat erst vor zirka 40 Jahren
begonnen und lässt auf interessante neue Erkenntnisse in nächster Zeit hoffen.
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viii.
Literaturverzeichnis
o Bassler, B. and Losick, R. (2006). Bacterially Speaking, Review. Cell 125, Issue 2, 237247
o Mashburn, L.M., and Whiteley, M. (2005). Membrane vesicles traffic signals and
faciliate group activities in a prokaryote. Nature 437, 422-425
o Xavier, K.B., and Bassler, B.L. (2005). Interference with AI-2-mediated bacterial cellcell communication. Nature 437, 750 - 753
o Waters , C.M. and Bassler, B.L. (2005). Quorum sensing: cell-to-cell communication in
bacteria. Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 21, 319–346.
o A. Tomasz (1965). Control of the competent state in Pneumococcus by a hormone-like
cell product: an example for a new type of regulatory mechanism in bacteria. Nature
208, 155–159.
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