Siderophortransport in Escherichia coli und Salmonella enterica

Abstract

Viele Mikroorganismen produzieren im Eisenmangel Siderophore (Eisenchelatoren), die das schlechtlösliche dreiwertige Eisen binden. Die Eisen-Siderophorkomplexe werden über spezifische Transportsysteme aufgenommen und versorgen die Zellen mit dem lebensnotwendigen Eisen. Enterobactin ist ein für Enterobakterien typisches Siderophor. Salmonella und uropathogene Escherichia coli Stämme produzieren außerdem ein C-glycosyliertes Enterobactin, das Salmochelin. Enterobactin kann im humanen Serum durch das Protein Siderocalin gebunden werden, wodurch das Wachstum, beispielsweise von E. coli Stämmen, unterdrückt werden kann. Durch Wachstumsversuche konnte gezeigt werden, dass das von den pathogenen Stämmen produzierte Salmochelin diese Wachstumshemmung aufhebt. Rekombinant aus E. coli K-12 isoliertes Siderocalin enthält fest gebundenes Enterobactin. Wider Erwarten enthielt das aus einem Salmochelinproduzenten gewonnene rekombinante Siderocalin gebundenes Salmochelin. Weitere Tests bestätigten die aus den Wachstumsversuchen gewonnene Erkenntnis, dass Siderocalin Salmochelin nicht bindet. Pathogene Enterobakterien können damit die Wirtsabwehr unterlaufen. Somit scheint Salmochelin nur während der Siderocalinsynthese in der Bakterienzelle in die Bindetasche des Siderocalins gelangen zu können. Über das Zweikomponentensystem QseBC wird in E. coli durch das Wirtshormon Norepinephrin Motilität und Virulenz gesteuert. Wir konnten eine Beteiligung von QseBC an der Steuerung der Eisenaufnahmesysteme in E. coli während Eisenmangelsituationen zeigen. Mit Promotorfusionen an das lac-Gen konnte gezeigt werden, dass QseC inhibierend auf das Enterobactinsystem wirkt. Auf das virulenzassoziierte Salmochelinsystem, das hilft, die Wirtsabwehr zu umgehen, wirkt QseC hingegen aktivierend. Die Stimulation konnte für IroN, den Salmochelinrezeptor, gezeigt werden. Die Enterobactinproduktion setzte in einer qseBC-Deletionsmutante früher ein, als im Elternstamm, was die Daten der Regulationsstudien bestätigt. Das von QseBC regulierte periplasmatische Protein YgiW bindet Enterobactin, was mittels HPLC-Messungen gezeigt werden konnte. YgiW scheint außerdem die Ablesung des iroN-Promotors zu hemmen, während die Ablesung von den enterobactinassoziierten Promotoren von fes und fepA nicht beeinflusst wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass das Zweikomponentensystem QseBC nicht nur Virulenzgene reguliert wie es für EHEC E. coli beschrieben wurde, sondern, dass es ebenso Funktionen des normalen Metabolismus apathogener E. coli Stämme beeinflusst.

Many microorganisms produce siderophores (chelators) under iron-poor conditions, which bind badly soluble Fe3+. Iron-siderophore-complexes scavenge ferric iron molecules and transport them into the cells by using specific transport systems to provide bacteria with vital iron. Enterobactin is a typical siderophore for Enterobacteriaceae. Salmonella and uropathogenic Escherichia coli strains produce additionally a C-glycosylated enterobactin, called salmochelin. In human serum, enterobactin can be bound by the protein siderocalin, whereby for instance growth of E. coli strains can be suppressed. Performing growth assays one could show, that salmochelin produced by pathogenic strains neutralizes this effect. Recombinant siderocalin from E. coli K-12 contains firmly bound enterobactin. Contrary to expectations, recombinant siderocalin isolated from a salmochelin-producer contained bound salmochelin. Further tests confirmed the cognition from our growth assays, that siderocalin does not bind salmochelin. Pathogenic Enterobacteriaceae can by this means evade human immune defence. Therefore it seems, that salmochelin can only attain to the binding cup during synthesis and folding of siderocalin in the bacterial cell. In E. coli, motiliy and virulence are regulated by the host hormon norepinephrine via the QseBC two-component system. We could show a participation of QseBC in the regulation of iron-dependent systems in E. coli during iron deprivation. Using promotor-lacZ-fusions it was shown, that QseC inhibits the enterobactin-system. However, expression of the virulence-associated salmochelin-system was stimulated via QseC. Confirming the data of our regulation studies, the enterobactin-production began earlier in a qseBC-deletion-mutant, than in the parent strain. The periplasmic protein YgiW, which is also regulated by QseBC, binds enterobactin, which was shown by HPLC analysis. YgiW appears to inhibit the transcription of iroN, whereas the transcription of enterobactin-associated genes fes and fepA was not influenced. The results show, that QseBC not only regulates virulence genes as it was described for EHEC E. coli, but also affects functions of the metabolism of apathogenic E. coli strains.