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Bitte verwenden Sie diesen Link, wenn Sie dieses Dokument zitieren oder verlinken wollen: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:9-002517-9

(Meta)Proteomics analysis of bacterial adaptation mechanisms to infection-related and environmental stresses

  • Microbial infections can be either caused by a single species or complex multi-species consortia. One of the most prominent opportunistic human pathogens leading to mono- or mixed-species infections is the Gram-negative bacterium Pseudomonas aeruginosa. Understanding the molecular basis of its adaptation to infection-related stresses is an essential prerequisite for the prevention and treatment of P. aeruginosa infections. We therefore employed state-of-the-art proteomics approaches to elucidate the molecular adaptation mechanisms of P. aeruginosa to infection-related conditions. Moreover, structure, function and interaction of complex microbial consortia containing P. aeruginosa and causing catheter-associated urinary tract infections were investigated by metaproteomics analyses. Our investigations revealed that the adaptation of P. aeruginosa during infection is either based on gene expression changes caused by environmental signal integration or by gene mutations leading to a selective advantage in a particular host environment. In study I, investigating the proteome response of P. aeruginosa biofilms to the clinical relevant antibiotic ciprofloxacin, global changes in the protein profile were observed. Ciprofloxacin induced the expression of proteins involved in the Lex-induced SOS-response, drug efflux pumps and gene products of the ciprofloxacin-responsive prophage cluster and repressed the expression of porins and DNA-binding proteins. In study II the transcriptome and proteome of two clonal P. aeruginosa lineages during long-term colonization of cystic fibrosis (CF) patient’s lungs were analyzed. Point mutations in global regulator genes, i.e. retS, gacS, and gacA, were identified by genomic sequencing. Inactivation of RetS, found two years after the initial colonization, induced the expression of genes involved in chronic infections and coding for the type 6-secretion system (T6SS). Additional mutations in the GacS/GacA two-component regulatory system (TCS) were found to repress the expression of T6SS proteins and to induce the expression of proteins belonging to the type 3-secretion system (T3SS). In study III we elucidated the niche-specific adaptation of P. aeruginosa isolates from different infection sites by investigating their protein expression patterns and glucose metabolic fluxes. We could show that isolates from the urinary tract express a higher amount of proteins involved in the acquisition of micronutrients (i.e. iron) and carbohydrates compared to isolates from the CF lung. In study IV 16S rDNA sequencing and metaproteomics were employed to demonstrate that the investigated CAUTI-related biofilms consisted of two to five different species with one or two species dominating the mixed community. Following this line of research, we investigated in study V structure and function of a biofilm of a long-term catheterized patient, which was predominantly composed of P. aeruginosa and Morganella morganii, but also contained a minor proportion of the obligate anaerobe Bacteroides sp.. The comparison of in vivo and in vitro protein expression profiles of P. aeruginosa and M. morganii indicated that iron and carbohydrates are the major growth-limiting factors in the bladder. These results indicate different nutritional strategies of the two pathogens in the bladder environment. A comparison of urinary protein profiles of healthy persons and catheterized patients suggested that the human innate immune system is induced by CAUTIs. Moreover, numerous proteins involved in nutritional immunity, e.g. iron-, calcium- and magnesium-binding proteins, were found to be more abundant in the urine of catheterized patients. A follow-up (meta)proteomics study (study VI) aiming at the elucidation of interspecies interactions during multi-species infections indicated that the urease-positive uropathogen Proteus mirabilis induces the precipitation of metal ions by urine alkalization and thereby limits the availability of these important micronutrients for other co-infecting bacteria. This limitation seems to be sensed by the P. aeruginosa PhoP-PhoQ two-component system (TCS) leading to an increased resistance to antimicrobial peptides and biofilm-forming capacity of the pathogen. Also during co-cultivation of P. aeruginosa with Staphylococcus aureus a slight increase in the expression of the PhoP-PhoQ TCS and the alkaline protease could be observed (study VII). In study VIII a combined metagenomics and metaproteomics approach was employed to investigate structure and function of the lichen Lobaria pulmonaria, a complex consortium consisting of a fungus, an algal partner, cyanobacteria, and a highly diverse bacterial microbiome. The results presented in this work contribute to a better understanding of the manifold and complex bacterial adaptation mechanisms to infection-related and environmental stress and thereby foster the development of novel treatment and prevention strategies.
  • Mikrobielle Infektionskrankheiten können entweder durch eine pathogene Spezies oder durch komplexe Multi-Spezies-Gemeinschaften verursacht werden. Pseudomonas aeruginosa, einer der bedeutsamsten Gram-negativen opportunistisch humanpathogenen Bakterien, ist häufig an Multispezies-Infektionen beteiligt. Ein besseres Verständnis der molekularen Anpassung dieses Erregers an die Wirtsumgebung ist unerlässlich um neue Strategien für wirkungsvolle antiinfektiöse Therapien zu entwickeln. Eines der Hauptziele der vorliegenden Dissertation war es daher, die molekularen Anpassungsmechanismen von P. aeruginosa an infektionsrelevante Bedingungen mittels moderner Proteom-Analysen zu entschlüsseln. Des Weiteren sollten Struktur, Funktion und Interaktionen komplexer mikrobieller Gemeinschaften mittels neu etablierter Metaproteom-Analysen untersucht werden. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, dass sich P. aeruginosa durch Mutationen, die zu einem Selektionsvorteil führen, und/oder durch eine durch Umweltfaktoren bedingte Veränderung der Genexpressionsprofile an die Wirtsumgebung anpassen kann. Im Rahmen von Studie I wurde untersucht, wie sich das in der Klinik häufig eingesetzte Antibiotikum Ciprofloxacin auf die Proteinexpression von P. aeruginosa Biofilmen auswirkt. Die Ciprofloxacin-Behandlung induziert die Expression von Proteinen, die an der Lex-abhängigen SOS-Antwort und am Antibiotika-Export beteiligt sind, sowie von Prophagen-Proteinen und reprimiert die Expression von Porinen und DNA-bindenden Proteinen. In Studie II wurde die Langzeitanpassung von zwei klonalen P. aeruginosa Linien aus Mukoviszidose-Patienten mittels Proteom- und Transkriptomstudien untersucht. Eine zwei Jahre nach der initialen Besiedlung auftretende Mutation des RetS- Sensorkinase Gens führt zu einer verstärkten Expression von Genen deren Produkte an chronischen Infektionen beteiligt sind, darunter das Typ 6 Sekretionssystem (T6SS). Nach vier Jahren wurden weitere Mutationen in Genen des GacA/GacS Zweikomponentensystem (TCS) entdeckt, die zu einer Repression der Gene des T6SS führen, die Expression des Typ 3 Sekretionssystems (T3SS) jedoch induzieren. Die Expression des T3SS wird mit akuten Infektionen assoziiert. In Studie III wurde die Anpassung von P. aeruginosa an wirtsspezifische Nischen mittels Proteom- und Metabolom-Analysen verschiedener Isolate aus unterschiedlichen Infektionsgeschehen untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass Isolate aus Harnwegsinfektionen im Vergleich zu Mukoviszidose-Isolaten mehr Proteine exprimieren die an der Aufnahme von Mikronährstoffen (z.B. Eisen) und Kohlenhydraten beteiligt sind. In Studie IV konnte mittels 16S rDNA Sequenzierung und Metaproteom-Analysen gezeigt werden, dass sich die untersuchten CAUTI-assoziierten Biofilme aus zwei bis fünf verschiedenen Spezies zusammensetzen, wobei ein oder zwei Spezies die Hauptmasse des Biofilms ausmachen. Im Rahmen einer Folgestudie (Studie V), in der der Biofilm eines langzeit-katheterisierten Patienten untersucht wurde, konnten P. aeruginosa, Morganella morganii, aber auch geringe Mengen des obligat anaeroben Bakteriums Bacteroides sp. identifiziert werden. Ein Vergleich der in vivo und in vitro Proteinexpressionsprofile der isolierten P. aeruginosa und M. morganii Stämme zeigte, dass Eisen und Kohlenhydrate limitierende Wachstumsfaktoren in der Blase darstellen und die beiden Pathogenen unterschiedliche Strategien zur Aufnahme von Nährstoffen aus dem Urin verfolgen. Vergleicht man die Proteinprofile des Urins gesunder Personen und katheterisierter Patienten, so kommen im Patientenurin verstärkt Proteine des angeborenen Immunsystems vor. Zudem finden sich im Patientenurin auch deutlich mehr Proteine die an der Bindung von Eisen, Kalzium und Magnesium beteiligt sind. In Studie VI wurden Interaktionen der Uropathogenen Proteus mirabilis und P. aeruginosa untersucht. P. mirabilis produziert große Mengen an Urease, was zu einer Alkalisierung des Mediums und damit zu einer Präzipitation von essentiellen Spurenelementen führt. Der Mangel an diesen Mikronährstoffen induziert das PhoP-PhoQ Zweikomponentensystem von P. aeruginosa, was letztendlich zu einer erhöhten Antibiotikaresistenz und Biofilmbildung führt. Studie VII, die die Interaktionen zwischen den CF-Pathogenen P. aeruginosa und Staphylococcus aureus untersuchte, zeigte, dass auch die Co-Kultivierung mit S. aureus die Expression von Genen des P. aeruginosa PhoP-PhoQ TCS induziert. In Studie VIII wurde die Struktur und Funktion der Flechte Lobaria pulmonaria mithilfe kombinierter Metagenom- und Metaproteom-Analysen untersucht. Die in der hier vorliegenden Arbeit erzielten Ergebnisse tragen wesentlich zu einem besseren Verständnis prokaryotischer Anpassungsmechanismen an infektionsrelevante Bedingungen oder Umweltstress bei und fördern damit die Entwicklung neuer Strategien zur Prävention und Bekämpfung mikrobieller Infektionskrankheiten.

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Metadaten
Author: Christian Lassek
URN:urn:nbn:de:gbv:9-002517-9
Title Additional (German):(Meta)Proteomanalyen zu bakteriellen Anpassungsmechanismen an infektionsrelevante und umweltbedingte Stresse
Advisor:Prof. Dr. Katharina Riedel
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2016/05/09
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2016/01/21
Release Date:2016/05/09
GND Keyword:Medizinische Mikrobiologie, Mikrobiologie, Proteomanalyse, Pseudomonas aeruginosa
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Abteilung für Mikrobiologie und Molekularbiologie
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 570 Biowissenschaften; Biologie