Regulatory Mechanisms of Bacterial Stress Responses

Bacterial growth and survival critically hinges on the ability to rapidly adapt to ever-changing environmental conditions. Elaborated stress response systems allow bacteria to sensitively detect and adequately respond to fluctuations in environmental conditions, such as pH, temperature, osmolarity,...

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Main Author: Piepenbreier, Hannah
Contributors: Fritz, Georg (Dr.) (Thesis advisor)
Format: Doctoral Thesis
Language:English
Published: Philipps-Universität Marburg 2019
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Schnelle Anpassungen an ständig wechselnde Umweltbedingungen sind von zentraler Bedeutung für das Wachstum und Überleben von Bakterien. Ausgereifte Stressantwort-Systeme erlauben es Bakterien, Schwankungen in Umweltfaktoren wie pH, Temperatur, Osmolarität, oder Nährstoff- und Schadstoffkonzentrationen sensitiv wahrzunehmen und adäquat darauf zu antworten. Häufig tragen mehrere miteinander gekoppelte Mechanismen, die von einem komplexen Netzwerk aus Signal-Transduktions-Kaskaden, Stoffwechselwegen und Genexpressions-Regulation kontrolliert werden, zur bakteriellen Stressantwort gegenüber einem spezifischen Stressor bei. In dieser Dissertation werden bakterielle Stressantworten gegenüber zwei verschiedenen Stressoren analysiert, wobei ein besonderer Fokus auf den Regulationsmechanismen liegt, die die Gesamtantwort bestimmen. Der erste Teil dieser Dissertation befasst sich mit der Häm-Stressantwort in Corynebacterium glutamicum. Häm ist ein essentieller Cofaktor und alternative Eisenquelle für nahezu alle Bakterien. In hohen Konzentrationen ist Häm jedoch stark giftig, sodass die Häm-Homöostase sehr genau kontrolliert werden muss. Es ist daher eine zentrale Frage, wie Bakterien Häm-Stressantworten regulieren, um Häm nutzen zu können aber sich gleichzeitig vor Vergiftungen zu schützen. Es wird gezeigt, dass C. glutamicum einen Mechanismus zur Häm-Entgiftung (gesteuert über den Häm-Exporter HrtBA) und einen Mechanismus zur Häm-Nutzung (gesteuert über die Häm-Oxygenase HmuO) in zeitlicher Hierarchie einleitet, wobei die Entgiftung der Nutzung vorgeschaltet ist. Ein kombinierter Ansatz aus experimentellen Reporter-Messungen und mathematischer Modellierung zeigt auf, wie die unterschiedlichen biochemischen Eigenschaften der beiden Zwei-Komponenten-Systeme, die Häm in C. glutamicum detektieren - ChrSA und HrrSA - sowie ein zusätzlicher Regulator (der globale Eisen-Repressor DtxR) diese hierarchische Aktivierung der beiden Stressantwort-Systeme kontrollieren. Diese Analyse beleuchtet die mehrschichtige Häm-Stressantwort, die zur Häm-Homöostase in C. glutamicum beiträgt, und verbessert dadurch das Verständnis von bakteriellen Strategien, eine so ambivalente Substanz wie Häm zu beherrschen. Der zweite Teil dieser Dissertation konzentriert sich auf bakterielle Antwortstrategien gegenüber Zellwand-Antibiotika, die maßgeblich zur Antibiotikaresistenz von Bakterien beigetragen. Um der Resistenzentwicklung entgegenzuwirken, ist es von entscheidender Bedeutung zu verstehen, wie Zellwand-Antibiotika die bakterielle Zellwandbiosynthese stören und welche Strategien Bakterien anwenden, um sich vor Zellwand-Zerstörung zu schützen. Der ersten Frage wird mit Hilfe eines mathematischen Modells nachgegangen, welches den bakteriellen Zellwand-Syntheseweg - den Lipid II Zyklus - sowie dessen Verhalten unter Einfluss von Antibiotika beschreibt. Es zeigt sich, dass die einzelnen Zwischenprodukte innerhalb des Lipid II Zyklus stark ungleichmäßig verteilt sind und dass die Wirksamkeit eines Antibiotikums in vivo mit der Verfügbarkeit des Zwischenprodukts, das durch das Antibiotikum gebunden wird, skaliert: Je weniger das Zwischenprodukt vorhanden ist, desto geringer ist die Wirksamkeit eines Antibiotikums, das an dieses Zwischenprodukt bindet, um die Zellwand-Biosynthese zu hemmen. Dies führt dazu, ein neues Prinzip der ‚minimalen Exposition zellulärer Zielstrukturen‘ als intrinsischen Resistenzmechanismus zu formulieren und es wird gezeigt, dass die dadurch hervorgerufene Resistenz vermindert werden kann, wenn Antibiotika kooperativ an ihre Ziele binden. Von diesen Erkenntnissen kann die Entwicklung neuer Medikamente im Kampf gegen Antibiotika-Resistenz deutlich profitieren. Eine experiment-basierte Erweiterung des Modells ermöglicht es schließlich, das Zusammenspiel verschiedener Stressantwort-Mechanismen, die vor einem Antibiotikum schützen, zu analysieren. Hier liegt der Fokus auf der gut untersuchten Antwort von Bacillus subtilis gegenüber dem Zellwand-Antibiotikum Bacitracin. Die Studie zeigt auf, dass das Zusammenspiel zwischen BceAB, der Determinante, die die Stressantwort primär bestimmt und Bacitracin-Entgiftung bewirkt, und BcrC, der Determinante, die sekundär zur Stressantwort beiträgt indem sie die Zellwand-Homöostase schützt, durch die Eigenschaften des Lipid II Zyklus selber kontrolliert wird. Indem diese Analyse Regulationsmechanismen der mehrschichtigen Bacitracin-Stressantwort entschlüsselt, trägt sie zu einem verbesserten Verständnis bakterieller Antibiotikaresistenz bei.