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Titel: Chemotaxis of Escherichia coli to compounds present in human gut
Autor: Lopes, Joana
Weitere Beteiligte: Sourjik, Victor (Prof. Dr.)
Veröffentlicht: 2018
URI: https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2018/0217
DOI: https://doi.org/10.17192/z2018.0217
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2018-02174
DDC: 570 Biowissenschaften, Biologie
Titel(trans.): Chemotaxis von Escherichia Coli zu chemischen Verbindungen, die im Darm vorkommen
Publikationsdatum: 2019-01-15
Lizenz: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0

Dokument

Schlagwörter:
Escherichia coli, Chemotaxis, Microbiology

Summary:
Microorganisms of the gastrointestinal (GI) tract were recently shown to communicate and consequently influence the metabolism, immunity, and behavior of animal hosts. Increasing evidence suggest that communication can also occur in the opposite direction, with hormones and other host-secreted compounds being sensed by microorganisms. Here, we addressed one key aspect of the host-microbe communication by studying a very‐well known system that senses external stimulus, the chemotaxis system. We analyzed the chemotactic response of a model commensal bacterium, Escherichia coli, to several compounds that accumulate in the GI tract, namely the catecholamines 3,4-dihydroxyphenylalanine, dopamine, norepinephrine, epinephrine and 3,4-dihydroxymandelic acid; the thyroid hormones serotonin and melatonin; the sex hormones β-estradiol and testosterone; insulin; and the polyamines putrescine and spermidine. Melatonin, testosterone and spermidine were shown to be chemorepellents, with the strongest repellent response observed for spermidine, and epinephrine showed an attractant response. Biphasic responses were observed to dopamine, norepinephrine, 3,4-dihydroxymandelic acid and insulin. To determine the underlying sensing mechanism of these compounds, we investigated the chemotactic responses of strains expressing hybrid receptors that combine domains of each of the two most abundant receptors in E. coli, Tar and Tsr. We also studied the responses of mutated Tar receptors that show inverted chemotactic responses, which enable us to identify regions of receptors that sense individual compounds. While the hormones are sensed indirectly, mainly perturbing the signaling domain of Tar and Tsr, the response to spermidine involves the low-abundant chemoreceptor Trg and the periplasmic binding protein PotD, of the spermidine uptake system. Finally, to determine the physiological importance of these compounds to E. coli, we studied their effects on bacterial growth. The chemotactic effects of the tested compounds apparently correlate with their influence on growth and with their stability in the GI tract, pointing to the specificity of the observed behavior. We hypothesize that the repellent responses observed at high concentrations of chemoeffective compounds might enable bacteria to avoid harmful levels of hormones and polyamines in the gut.

Zusammenfassung:
Vor kurzem wurde gezeigt, dass Mikroorganismen des Magen-Darm-Trakts mit diesem kommunizieren und daher einen Einfluss auf den Stoffwechsel, das Immunsystem sowie auf das Verhalten des Wirtstiers nehmen. Eine steigende Anzahl an Anhaltspunkten zeigen, dass dieser Austausch auch in entgegengesetzter Richtung stattfinden kann und zwar durch das Wahrnehmen von Hormonen und anderer vom Wirt ausgeschiedenen chemischen Verbindungen durch die Mikroorganismen. Wir haben uns in dieser Arbeit mit einem der Schlüsselelemente der Wirts-Mikroben-Kommunikation befasst, in dem wir das Chemotaxis System untersucht haben, das externe Stimuli wahrnehmen kann. So haben wir die chemotaktische Antwort des symbiotischen Modelbakteriums Escherichia coli auf mehrere chemische Verbindungen, die sich im Magen-Darm-Trakt anreichern, untersucht: Katecholamine 3,4-Dihydroxyphenylalanin, Dopamin, Norepinephrin und 3,4-Dihydroxymandelsäure; die Schilddrüsenhormone Serotonin und Melatonin; die Sexualhormone ß-Estradiol und Testosteron; Insulin; und die Polyamine Putrescin und Spermidin. Für Melatonin, Testosteron und Spermidin konnte gezeigt werden, dass sie chemotaktisch abweisend sind, wobei die stärkste abweisende Reaktion für Seperimidine beobachtet wurde und Epinephrin zeigte eine anziehende Wirkung. Für Dopamin, Norepinephrin, 3,4-Dihydroxymandelsäure und Insulin konnte eine zweiphasige Antwort beobachtet werden. Um den zugrundeliegenden Wahrnehmungsmechanismus für diese chemischen Verbindungen zu ermitteln haben wir die chemotaktischen Antworten von Stämmen untersucht, die Hybridrezeptoren mit der Kombination der Domänen der zwei am häufigsten vorkommenden Rezeptoren in E. coli, Tar und Tsr, exprimieren. Wir haben auch die Reaktion von mutierten Tar Rezeptoren untersucht, die eine umgekehrte chemotaktische Antwort aufweisen, was es uns erlaubt hat, die Rezeptorregionen zu identifizieren, welche auf die einzelnen chemischen Verbindungen reagieren. Während Hormone indirekt wahrgenommen werden, was hauptsächlich auf die Perturbation der Signaldomäne von Tar und Tsr zurückzuführen ist, schließt die Reaktion auf Spermidin den wenig vorhandenen Chemorezeptor Trg ein sowie das periplasmatische Bindeprotein PotD des Spermidinaufnahmesystems. Um schließlich die physiologische Bedeutung für das Wahrnehmen dieser chemischen Verbindungen für E. coli zu bestimmen, haben wir deren Auswirkungen auf das Wachstum untersucht. Der chemotaktische Effekt der untersuchten Verbindungen korreliert mit dem Einfluss auf das Wachstum und der Stabilität der Stoffe im Magen-Darm-Trakt, was auf die Spezifität des beobachteten Verhaltens hindeutet. Wir nehmen an, dass die abweisende Reaktion auf die chemischen Verbindungen, die eine Reaktion hervorrufen, es den Bakterien bei hohen Konzentrationen erlaubt, schadhafte Mengen von Hormonen und Polyaminen im Darm zu vermeiden.


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