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Die Analyse der Teichonsäurebiosynthese in Streptococcus pneumoniae

  • Teichonsäuren (TA) sind ein wesentlicher Bestandteil von Gram-positiven Bakterien und damit auch der Zellwand von Streptococcus pneumoniae. Die Glykopolymere werden in Peptidoglykan-verbundene Wandteichonsäuren (WTA) und Glykolipid-verbundene Lipoteichonsäuren (LTA) unterschieden. Anders als in anderen Gram-positiven Spezies weisen WTA und LTA von S. pneumoniae einen gemeinsamen zytoplasmatischen Biosyntheseweg auf, der in einer identischen Struktur beider Glykopolymere resultiert. Erst der finale Transfer der TA-Ketten an das Peptidoglykan oder den Glykolipid-Anker unterscheidet sich im Biosyntheseweg. In der vorliegenden Arbeit wurde SPD_1672 von Stamm S. pneumoniae D39 (TIGR4: SP_1893) als putative Lipoteichonsäure Ligase (Teichoic acid Ligase = TacL) identifiziert. In experimentellen Maus-Infektionsmodellen der akuten Pneumonie und systemischen Infektion zeigte die tacL-Mutante eine verringerte Virulenz und in in vitro Zellkultur-basierten Infektionsanalysen eine abgeschwächte Adhäsion an Lungenepithelzellen. Obwohl die TacL-Defizienz einen signifikanten pathophysiologischen Einfluss in vivo zeigte, konnte bei in vitro Wachstumsanalysen in einem Komplexmedium sowie in chemisch definiertem Medium nur ein sehr geringer Effekt auf die Wachstumsrate gemessen werden. Die Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie (FESEM) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) Aufnahmen zur Untersuchung der bakteriellen Morphologie sowie die Analyse der durchflusszytometrischen Bestimmungen des Kapselgehalts der tacL-Mutante zeigten, dass die Bakterienmorphologie mit dem typischen Erscheinungsbild als Diplokokken unbeeinflusst waren. Das an die TAs substituierte Phosphorylcholin (P-Cho) dient als Anker für sogenannte Cholin-Bindungproteine (CBP), die wiederum unter anderem eine Rolle in der Autolyse, Kompetenz und Virulenz von S. pneumoniae spielen. Unter Verwendung polyklonaler Antikörper gegen verschiedener CBPs wurde lediglich bei PspC, Pce und CbpJ eine veränderte Menge festgestellt, wohingegen bei PspA, CbpL, LytA und CbpG kein Unterschied in der Abundanz auf der Bakterienoberfläche in der tacL-Mutante im Vergleich zum isogenen Wildtyp gemessen werden konnte. Darüber hinaus gelang es im Rahmen dieser Arbeit weitere Deletionsmutanten in Genen zu generieren, die für Proteine kodieren, denen eine hypothetische Rolle in der Teichonsäurebiosynthese zugewiesen wird und deren Funktionen in einer nachfolgenden Arbeit charakterisiert werden sollte. Im Rahmen dieser Arbeit konnte Ligase zu Assemblierung der LTA in S. pneumoniae identifiziert werden. Die beeinträchtigte Virulenz der tacL-Mutante im in vivo Maus-Infektionsmodell macht TacL zu einem potentiellen Ziel für antimikrobielle Substanzen.
  • Teichoic acids are an essential component of Gram-positive bacteria and thus also of the cell wall of Streptococcus pneumoniae. The glycopolymers are divided into peptidoglycan-associated wall teichoic acids (WTA) and glycolipid-associated lipoteichoic acids (LTA). In contrast to other Gram-positive species, WTA and LTA of S. pneumoniae show a common cytoplasmic biosynthesis pathway, which results in an identical structure of both glycopolymers. Only the final transfer of the TA chains to the peptidoglycan or the glycolipid anchor differs in the biosynthesis pathway. In the present study SPD_1672 of strain S. pneumoniae D39 (TIGR4: SP_1893) was identified as putative lipoteichoic acid ligase (Teichoic acid ligase = TacL). In experimental mouse infection models of acute pneumonia and systemic infection, the tacL mutant showed decreased virulence and in in vitro cell culture-based infection analyses decreased adhesion to lung epithelial cells. Although the TacL deficiency showed a significant pathophysiological influence in vivo, only a very small effect on the growth rate could be measured in in vitro growth analyzes in a complex medium as well as in chemically defined medium. Field emission scanning electron microscopy (FESEM) and transmission electron microscopy (TEM) images to study bacterial morphology and analysis of the flow cytometric determination of the capsular content of the tacL mutant showed that bacterial morphology was unaffected by the typical appearance as diplococci. The phosphorylcholine (P-Cho) substituted by the TAs serves as an anchor for so-called choline binding proteins (CBP), which in turn play a role in the autolysis, competence and virulence of S. pneumoniae. Using polyclonal antibodies against different CBPs, only PspC, Pce and CbpJ were found to be altered, whereas PspA, CbpL, LytA and CbpG showed no difference in abundance on the bacterial surface in the tacL mutant compared to the isogenic wild-type. Moreover, in the context of this work, further deletion mutants could be generated in genes encoding proteins assigned a hypothetical role in the synthesis of the teichoic acid biosynthesis and their functions should be characterized in a subsequent work. Within the scope of this work, ligase for the assembly of LTA in S. pneumoniae could be identified. The impaired virulence of the tacL mutant in the in vivo mouse infection model makes TacL a potential target for antimicrobial agents.

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Metadaten
Author: Nathalie Heß
URN:urn:nbn:de:gbv:9-opus-36451
Title Additional (English):Analysis of teichoic acid biosynthesis in Streptococcus pneumoniae
Referee:Prof. Dr. Sven Hammerschmidt, Prof. Dr. Michael Steinert
Advisor:Prof. Dr. Sven Hammerschmidt
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2020
Date of first Publication:2020/04/27
Granting Institution:Universität Greifswald, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Date of final exam:2020/04/15
Release Date:2020/04/27
GND Keyword:Teichonsäuren
Page Number:248
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Interfakultäres Institut für Genetik und Funktionelle Genomforschung (MNF)
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 570 Biowissenschaften; Biologie