Neue Strategien in der bakteriellen Stressantwort

Bakterien müssen ständig auf Änderungen in ihren Lebensbedingungen reagieren. Vor allem pathogene Bakterien sind nach der Infektion ihres Wirtes starkem Stress ausgesetzt, wie z.B. pH-Stress, oxidativem Stress und Nährstoffmangel. Um diese "unwirtlichen" Bedingungen zu überleben, haben sie Strategien entwickelt, die es ihnen erlauben, sich durch Änderungen der Genexpression und Proteinaktivität den äußeren Umständen rasch anzupassen. Einige pathogene Bakterien haben zusätzlich die Fähigkeit, persistente Zellen auszubilden. Diese Zellen zeichnen sich durch einen "Schlafzustand" aus, d.h. ihr Metabolismus ist inhibiert. Dieser Zustand ermöglich es ihnen, sowohl eine Antibiotikatherapie, als auch die Immunantwort ihres Wirtes zu überleben. Die persistenten Infektionen können aber nach Absetzen der Antibiotikatherapie wieder aufflammen. Studien haben kürzlich gezeigt, das sogenannte Toxin/Antitoxin-Module eine wesentliche Rolle in der Ausbildung des persistenten Phenotyps spielen. Der genaue Mechanismus, wie Toxine die Ausbildung der Persistenz stimulieren, ist aber noch nicht bekannt. Wir konnten kürzlich zeigen, dass das Aminoglycosid-Antibiotikum Kasugamycin, das die Translationsinitiation hemmt, zur Bildung von protein-depletierten Ribosomen in Escherichia coli beträgt. Diese ribosomalen Partikel können selektiv nur sogenannte "leaderless" mRNAs translatieren, die mit einem 5-terminalen Startkodon beginnen und somit keine spezifischen Translationsinitiationssignale aufweisen. Zusätzlich ergaben unsere Studien, dass in Gegenwart des Antibiotikums Stressproteinen synthetisiert werden. Untersuchungen dieses Phenomens zeigten, dass die entsprechenden mRNAs in Gegenwart von Kasugamycin "leaderless" wurden. Weitere Analysen wiesen darauf hin, dass Toxin/Antitoxin Module eine wesentliche Rolle in der 5-seitige Verkürzung der mRNA spielen. Zusammengefasst deuten diese Ergebnisse auf eine bisher nicht charakterisierte Strategie pathogener Bakterien hin, die es ihnen ermöglich, rasch auf Stress, z.B. nach einer Infektion, zu reagieren. Die Bildung von "leaderless" mRNAs, die von protein-defizienten Ribosomen translatiert werden können, könnte zu einer selektiven Synthese von Proteinen führen, die die Ausbildung des persistenten Phenotyps stimuliert. Daher ist das Ziel diese Studie, die molekularen Mechanismen näher zu charakterisieren, die zur Bildung von protein-defizienten Ribosomen und von "leaderless" mRNAs führt. Die Ergebnisse könnten zur Identifizierung von Schlüsselfaktoren dieser Strategie führen, welche potentielle Angriffspunkte für neue antimikrobielle Stoffe darstellen könnten, welche die Ausbildung chronischer Infektionen durch humanpathogene Bakterien verhindern könnten.

Bakterien müssen ständig auf veränderte Lebensbedingungen reagieren. Vor allem pathogene Bakterien erfahren nach der Infektion ihres Wirtes z.B. oxidativen Stress und Nährstoffmangel. Um diese unwirtlichen Bedingungen zu überleben, haben sie Strategien entwickelt um sich anzupassen. Einige Bakterien haben überdies auch die Fähigkeit, persistente Zellen auszubilden, die sich durch einen Schlafzustand bzw. einen eingeschränkten Metabolismus auszeichnen. Dadurch können sie sowohl die Immunantwort ihres Wirtes als auch eine Antibiotikatherapie überdauern und danach wieder aufkeimen. Einige Studien haben gezeigt, dass sogenannte Toxin/Antitoxin (TA)-Systeme, die für ein toxisches Protein und das korrespondierende Antitoxin kodieren, eine wesentliche Rolle in dieser Überlebensstrategie spielen. Der zugrundeliegende Mechanismus ist aber noch nicht genau erforscht. Da unsere vorangegangenen Studien darauf hinwiesen, dass TA-Module eine Rolle in der selektiven Proteinsynthese spielen, haben wir uns im Rahmen dieses Projektes mit der Charakterisierung einer post-transkriptionellen Stressantwort befasst, die durch das TA- System mazEF ausgelöst wird. Wir konnten zeigen, dass das aktive Toxin, die Endoribonuklease MazF, bestimmte mRNAs direkt vor der kodierenden Sequenz schneidet. Überraschenderweise entfernt MazF auch eine funktionell wichtige Region der ribosomalen RNA, wodurch ein spezialisierter Proteinsyntheseapparat entsteht, der ausschließlich diese MazF-prozessierten mRNAs translatiert. Zusammengefasst kommt es unter Stress durch den Abbau des Antitoxins und der daraus resultierenden Aktivierung von MazF zu einer raschen und energiesparenden Umprogrammierung der Proteinsynthese. Es ist vorstellbar, dass dieser konzeptionell neuartige Mechanismus der bakteriellen Stressantwort zur Heterogenität einer Bakterienpopulation beiträgt und dadurch die Entstehung von persistenten Zellen fördert. Weiters haben wir auch das MazF-Regulon bestimmt, d.h. alle Transkripte, die durch MazF prozessiert und in Folge selektiv translatiert werden. Die Ergebnisse zeigen, dass die korrespondierenden Proteine an allen zellulären Prozessen beteiligt sind und indizieren somit die elementare Bedeutung dieses Mechanismus. Weitere Ergebnisse unserer Studie haben auch wesentlich zur Formulierung neuer Fragestellungen beigetragen, die die Grundlage für Folgeprojekte darstellen. In diesen Projekten befassen wir uns mit bisher unbekannten Regulationswegen in Bakterien, wie z.B. der Reversibilität der Ribosomenheterogenität und der Erweiterung der Proteindiversität, ein Mechanismus vergleichbar dem alternativen Spleißen in Eukaryonten.