Aktivierungsmechanismen des Transkriptionsregulator Komplex ToxRS in Vibrio cholerae

Cholera ist eine lebensbedrohliche Durchfallerkrankung und wird durch das human-pathogene Bakterium Vibrio cholerae verursacht. Verantwortlich für die Erkrankung sind spezifische Virulenzgene die zum ToxR-Regulon gehören und für Choleratoxin und Adhärenzpili kodieren. Eine Hypothese im Forschungsfeld besagt, dass gezielte Modulierung der Virulenzgenexpression mit erhöhter Anpassung pathogener Erreger zum Wirt korrelieren. Wie zum Beispiel für V. cholerae angenommen wird, ist die Komplexität der Virulenzgenregulation der aktuell pandemisch vorkommenden Cholera Erreger vom Biotyp O1 El Tor höher, als die in Vorgängerstämmen vom Biotyp Klassisch O1, obwohl die selben Hauptvirulenzgene nachweisbar sind. Die Vorteile für O1 El Tor sind eine bessere Anpassungen und Adaptation an den Wirt, was wie beobachtet zur Senkung der Mortalität und zu erhöhten Persistenz in der Bevölkerung führte und die Cholerafälle bewirkt durch Klassischen O1 Erreger hat zurück gehen lassen. In diesem Projekt sollen vor allem die molekularen Funktionsweisen und das Zusammenspiel der Zytoplasmamembran lokalisierten Schlüsselregulationskomponenten ToxR und ToxS charakterisiert werden. Bisher kann keine Studie eine molekulare Gesamtfunktionsbeschreibung für ToxR Aktivierung, bzw. für den Regulatorkomplex ToxRS liefern. Aufbauend und fortführend zu eigenen detaillierten Analysen der ToxRS Funktionen sollen weitere wichtige Fragen/Ansätze untersucht werden. In den Fokus unserer Charakterisierungen stellen wir: i) ToxRS Interaktionsstudien, ii) Proteolysekontrolle zu ToxR Protein und iii) ToxR Aktivierungsmechanismen. Die einzusetzende Methodik umfasst in vitro und in vivo Analysen zu ToxR Stabilität, Zelllokalisation, Aktivierungsassays, NMR-Strukturanalysen und mikroskopische Fluoreszenzdarstellungen an Einzelzellen zur Komplexformation von ToxRS und Operator Lokalisation. Durch die zu erwartenden Daten, erhoffen wir den Transkriptionskomplex ToxRS in seiner molekularen Funktionsweise zu verstehen. Abgeleitet davon, könnten neue Strategien erarbeitet werden wonach Hemmstoffe gesucht werden, die den ToxRS Komplex stören oder inhibieren. Dies würde zum Abbruch der Virulenzgenexpression und damit der Besiedlung der Erreger im Darm führen und könnte eine alternative Behandlungsmethode darstellen.

Die Cholera, ausgelöst durch Vibrio cholerae Bakterien, ist eine akute Durchfallerkrankung die eine hohe Morbiditats- und Mortalitatsrate und auch nach wie vor eine weltweite Bedrohung darstellt. Aus dem aquatischen Milieu gelangen die Bakterien in den menschlichen Wirt. Ein Hauptregulator fur die Expression der Virulenzgene bzw Choleratoxine ist ToxR, dessen Aktivität sich in Abhangigkeit von Umweltsignalen auspragt. Vorallem die Cysteinreste von ToxR stellen einen potenziellen Redoxschalter dar, welcher die Stabilitat und Aktivitat der Virulenzgene regulieren. Umwelteinflüße, wie Nahrstoffverfugbarkeit, pH-Wert und Gallensalze, beeinflussen die ToxR Aktivität, was wiederum zur schnellen Anpassung an verschiedene Lebensraume und Stressbedingungen führt. Die Ergebnisse dieser Studie hat gezeigt, dass die Transkriptionsaktivitat von ToxR auch von einer Vielzahl anderer Faktoren abhangt, z.B. dem Vorhandensein von Operatorbindestellen, dem Coaktivator ToxS und Dsb Proteinen, die alle eine Dimerisierung von zwei ToxR Molekülen erhöht und damit auch die Aktivitat von ToxR. Eine detaillierte Aufklarung der Regulation von Virulenzgenen in V. cholerae ist auf jeder Ebene von großem Wert, um innovative neue Therapieansatze zu finden, die z.B. in regulatorische Schaltkreise eingreifen. Daher tragen unsere Ergebnisse wesentlich zum Verstandnis des Infektionszyklus von V. cholerae bei, indem sie neue Einblicke in die regulatorische Flexibilitat des ToxRS Regulationskreis liefern.