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Mit Hilfe ihrer von intra-populärer Diversität sind Bakterien in der Lage, sich an rasch ändernde Umweltbedingungen anzupassen. Dies kann durch phänotypische Heterogenität zwischen genetisch identischen Zellen oder Mutationen, die die genetische Diversität erhöhen, erreicht werden. Um zu verstehen wie Heterogenität als Strategie ausschlaggebend für das Überleben im menschlichen Wirt kann, wurden beide Strategien im Humanpathogen Staphylococcus aureus untersucht. Es ist bereits bekannt, dass die Polysaccharidkapsel (CP) vor Phagozytose schützt, gleichzeitig aber auch das Anhaften an Endothelzellen und Matrixproteine verhindert. Wir konnten zeigen, dass in Menschen, die nasal dauerhaft mit S. aureus besiedelt sind, eine CP-positive Subpopulation existiert. Die cap Expression ist in vitro ebenfalls heterogen und stark abhängig von der Wachstumsphase. Diese eigenartige temporäre und bistabile Expression wird auf der Promoter-Ebene durch verschiedene Transkriptionsaktivatoren und –repressoren reguliert, woraus letztlich die phänotypische Heterogenität der Polysaccharidkapsel resultiert. Darüber hinaus werden diese Regulatoren durch sich ändernde Umwelteinflüsse wie Salzstress oder Veränderungen im Energiemetabolismus moduliert. Während die cap Expression hauptsächlich SigB-abhängig ist, agiert das Agr Quorum sensing System zusätzlich als positiver Regulator, indem es Rot inaktiviert. Zusätzlich agieren CodY, Sae und Rot synergistisch um die cap Expression zu reprimieren. Die Ursache für den hohen Grad an stochastischer Variation in der Regulation der Poysaccharidkapsel könnte demnach auf die Vielzahl an Regulatoren zurückzuführen sein. Das Quorum sensing (QS) System Agr in S. aureus dient dazu die zeitlich Expression von sekretierten Toxinen die entscheiden für die Virulenz sind, basierend auf der Dichte der Bakterienpopulation, zu koordinieren. Es ist bekannt, das paradoxerweise Agr-defekte Mutanten während der Infektion selektiert werden. Wir haben die Selektion und Anpassung von agr Mutanten unter infektionsrelevanten Bedingungen wie Antibiotika-Stress und Hypoxie untersucht. In vitro Evolutions- und Kompetitionsexperimente konnten zeigen, das agr Mutanten mittels Ciprofloxacin sich schneller anhäufen, während der Wildtyp innerhalb der Population in geringer Anzahl erhalten bleibt. Unter aerobem Wachstum werden die agr-regulierte PSM Toxine gebildet. PSMs sind toxisch für Staphylokokken. Folglich üben sie einen Selektionsdruck aus und agr Mutanten, die keine PSMs mehr bilden, werden favorisiert. Somit sind die durch Agr entstandenen Anpassungsnachteile nicht auf eine Stoffwechsellast, sondern auf die ROS-induzierende Kapazität der PSMs und der RNAIII-regulierten Faktoren, zurückzuführen. Im Gegensatz dazu begünstigt Hypoxie die Aufrechterhaltung des QS und ermöglicht sogar eine Hyperaktivierung des Systems, ohne die Anpassungsfähigkeit zu beeinträchtigen. Unter aeroben Bedingungen kann das schnelle Auftreten von agr-negativen Mutanten der Population einen Fitnessvorteil verschaffen, während Hypoxie die Aufrechterhaltung des QS erlaubt und sogar eine erhöhte Toxinproduktion ermöglicht. Hiermit zeigen wir, dass die sich ändernde Sauerstoffversorgung während der Infektion nicht nur das Virulenzpotential, sondern auch den Verlauf der mikrobiellen Evolution der S. aureus Gemeinschaft verändert. |
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