SPP 1879: Sensorische Mechanismen der c-di-GMP-Signaltransduktion bei der Biofilmbildung von E. coli
Bakterielle Biofilme besiedeln verschiedenste Oberflächen und sind hoch-resistent gegen Antibiotika und Wirtsimmunsysteme. Im Biofilm sind die Zellen in eine selbstproduzierte, schützende Matrix aus extrazellulären Biopolymeren eingebettet. In E. coli sind dies amyloide Curli-Fasern und das Exopolysaccharid Cellulose, deren Synthese vom Stationärphasen-Sigmafaktor RpoS (σS) und von c-di-GMP reguliert wird. Letzteres wird von Diguanylatcyclasen (DGC, mit GGDEF-Domänen) produziert und von spezifischen Phosphodiesterasen (PDE, mt EAL-Domänen) abgebaut. Unter den 29 GGDEF/EAL-Domänen-Proteinen von E. coli sind 25 enzymatisch aktiv, darunter 12 DGCs und 13 PDEs. Viele dieser sehr unterschiedlich exprimierten DGCs und PDEs sind membranassoziiert und ihre Aktivität wird durch N-terminale Sensordomänen gesteuert. Die Matrix-Produktion als c-di-GMP-regulierter Prozess liefert eine Reihe von klaren Phänotypen und gut messbaren Testparametern für die geplanten genetischen, molekularbiologischen und biochemischen Analysen, die darauf abzielen, die molekularen Mechanismen der Signalwahrnehmung und -verarbeitung auf primärer und sekundärer Ebene der c-di-GMP-vermittelten Signaltransduktion in E. coli zu verstehen. Dies betrifft (i) die Wahrnehmung von Umwelt- und zellulären Signalen durch N-terminale Sensordomänen einer neuen Klasse von PDEs, sowie (ii) die Wahrnehmung von c-di-GMP durch neue und unorthodoxe Effektormechanismen. Folgende Systeme sollen im Einzelnen untersucht werden:
• Redox-Kontrolle der cytoplasmatischen Enzymaktivität über Disulfidbrückenbildung und proteolytischer Prozessierung in der periplasmatischen Domäne der sechs E. coli-PDEs mit CSS-EAL-Domänenarchitektur
• Molekulare Struktur, Funktion und Zielorte von YbjK, einem DeoR-ähnlichen Transkriptionsfaktor, der c-di-GMP in Form eines G-Quadruplexes zu binden scheint
• Transkriptionsregulation durch PdeL, einem LuxR-EAL-Domänenprotein, das als lokal wirkende, c-di-GMP-bindende und –abbauende ‚Trigger-PDE‘ und Transkriptionsfaktor fungiert
• Struktur und Funktion eines potenziellen c-di-GMP-Riboswitches in der intergenen Region der mRNA des orf0317-pdeL Operons, der die Expression von PdeL inhibitiert.
Zudem soll die Integration all dieser molekularen Prozesse in das große regulatorische Netzwerk, das die Matrixproduktion kontrolliert und damit Funktionalität und Architektur des Biofilms generiert, untersucht werden. Durch die Fokussierung auf den sensorischen ‚Input‘ bei der Kontrolle von DGCs und PDEs, c-di-GMP-bindende Effektorkomponenten und Mechanismen der ‚lokalen‘ c-di-GMP-vermittelten Signaltransduktion sollte dieses Projekt signifikant zur Erreichung der Ziele des SPP 1879 beitragen. Darüber hinaus werden die Ergebnisse praktische Anwendung finden, z.B. bei der Entwicklung neuer Anti-Biofilmstrategien oder in der Synthetischen Biologie.
Mittelgeber
DFG Schwerpunktprogramm
Laufzeit
Projektstart: 09/2016
Projektende: 02/2020
Forschungsbereiche
Mikrobiologie, Virologie und Immunologie, Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
Publikationen
Original Research Publications
Sarenko, O., G. Klauck, F.M. Wilke, V. Pfiffer, A.M. Richter, S. Herbst, V. Kaever, and R. Hengge (2017) More than enzymes that make and break c-di-GMP - the protein interaction network of GGDEF/EAL domain proteins of Escherichia coli. mBio 8: e01639-17. doi: 10.1128/mBio.01639-17.
Thongsomboon, W., D.O. Serra, A. Possling, C. Hadjineophytou, R. Hengge and L. Cegelski (2018) Phosphoethanolamine cellulose: a naturally produced chemically modified cellulose. Science 359: 334-338. doi: 10.1126/science.aao4096.
Herbst, S., M. Lorkowski, O. Sarenko, T.K.L. Nguyen, T. Jaenicke, and R. Hengge (2018) Transmembrane redox control and proteolysis of PdeC, a novel type of c-di-GMP phosphodiesterase. EMBO J. 37: e97825 (published ahead of print on Apr 13). doi: 10.15252/embj.201797825.
Serra, D.O., and R. Hengge (2019) A c-di-GMP-based switch controls local heterogeneity of extracellular matrix synthesis which is crucial for integrity and morphogenesis of Escherichia coli macrocolony biofilms. J. Mol. Biol.431: 4775-4793. doi: 10.1016/j.jmb.2019.04.001.
Pfiffer, V., O. Sarenko, and R. Hengge (2019) Genetic dissection of E. coli´s master diguanylate cyclase DgcE: role of the N-terminal MASE1 domain and direct signal input from a GTPase partner system. PLoS Genetics 15: e1008059. doi: 10.1371/journal.pgen.1008059.
Kettles, R., N. Tschowri, , K. Lyons, P. Sharma, R. Hengge, M. Webber, and D. Grainger (2019) The Escherichia coli MarA protein regulates the ycgZ-ymgABC operon to inhibit bioiflm formation. Mol. Microbiol. 112: 1609-1625. doi: 10.1111/mmi.14386.
Reviews
Hengge. R. (2016) Trigger phosphodiesterases as a novel class of c-di-GMP effector proteins. Philos. Trans. R. Soc. Lond. B 371: 20150498. doi: 10.1098/rstb.2015.0498.
Serra, D.O., and R. Hengge (2017) Experimental detection and visualization of the extracellular matrix in macrocolony biofilms. Methods Mol. Biol. 1657: 133-145. doi: 10.1007/978-1-4939-7240-1_11.
Hengge, R., S. Häussler, M. Pruteanu, J. Stülke, N. Tschowri, and K. Turgay (2019) Recent advances and current trends in nucleotide second messenger signaling in bacteria. J. Mol. Biol. 431: 908-927. doi: 10.1016/j.jmb.2019.01.014.
Book Chapters
Serra, D.O., and R. Hengge (2017) Experimental detection and visualization of the extracellular matrix in macrocolony biofilms. In c-di-GMP Signaling: Methods & Protocols - Methods in Molecular Biology (Sauer, K., ed.), Humana Press, Springer Nature, New York, N.Y., pp. 133-145. doi.org/10.1007/978-3-030-12919-4_8.
Link: https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-030-12919-4_8
Serra, D.O., and R. Hengge (2019) Cellulose in bacterial biofilms. In Extracellular Sugar-Based Biopolymer Matrices (Cohen, E., and Merzendorfer, H., eds.). Biologically-Inspired Systems, vol. 12, Springer, pp. 355-392. doi.org/10.1007/978-3-030-12919-4_8.
Hengge, R. (2019) Durch den Datendschungel auf der Suche nach Erkenntnis: Experimentieren in der molekularen Mikrobiologie. In Experimentieren.Vergleich experimenteller Kulturen in Wissenschaft und Gestaltung (Marguin, S., H. Rabe, W. Schäffner, F. Schmidgal (eds), Transcript-Verlag, Bielefeld.
