Characterization of environmental stimuli and regulatory networks involved in the expression of the colibactin polyketide in E. coli
Final Report Abstract
Colibaktin und Yersiniabaktin sind zwei Polyketide, die gemeinsam von verschiedenen Enterobakterien exprimiert werden und die zur bakteriellen Fitness, aber auch Pathogenität, beitragen können. Unsere vergleichenden phäno- und genotypischen Analysen identifizierten das Zweikomponentensystem BarA-UvrY als ein wichtiges regulatorisches Element, das an der Expression von Colibaktin und Yersiniabaktin beteiligt ist. Wir zeigen, dass die Expression der beiden Polyketide auf posttranskriptionaler Ebene durch das RNA-bindende Protein CsrA miteinander verbunden ist und somit einer Primärstoffwechsel-abhängigen Regulation unterliegt. Obwohl die biologische Funktion von Colibaktin bereits intensiv untersucht wurde, ist das Verständnis der Regulation der Colibaktinexpression noch mehr als unvollständig. Wir untersuchten daher im Detail die Rolle verschiedener an der Colibaktinproduktion in E. coli beteiligter regulatorischer Elemente sowie Wachstumsbedingungen, die die Colibaktinexpression fördern. Wir identifizierten das ClbR Protein als den bisher einzigen bekannten Transkriptionsaktivator, der spezifisch und wesentlich für die effiziente Regulierung der Colibaktinproduktion ist. Die clbR-Transkription in vitro wird durch nährstoffärmere Medien und Eisenmangel induziert. Ebenso beeinflusst die Länge einer „variablen Anzahl von Tandem-Repeats“ (VNTR)-Region, die stromaufwärts von clbR liegt, die clbR Expression. Durch komparative geno- und phänotypische Untersuchungen bei klinischen Isolaten fanden wir Hinweise darauf, dass verschiedene Regulationskreisläufe an der Expression der Colibaktindeterminante als Reaktion auf den bakteriellen Zentralmetabolismus und das bakterielle Wachstumsstadium oder Stressbedingungen beteiligt sein können. Unsere Ergebnisse betonen die fein abgestimmte Wirkung verschiedener Regulationsmechanismen auf die Expression von Colibaktin und Yersiniabaktin als Reaktion auf variable Umweltsignale. Unsere Untersuchungen zur Prävalenz und Diversität der Colibaktindeterminante zeigen, dass das Colibaktinoperon bisher besonders häufig in Escherichia coli und Klebsiella pneumoniae Isolaten, aber auch in anderen Enterobakterien, wie Klebsiella aerogenes, Klebsiella oxytoca, Citrobacter koseri, Enterobacter cloacae, Enterobacter hormachaechei, Erwinia oleae, Serratia marcescens und sogar in einem Salmonella Isolat sequenziert wurde. Innerhalb der Enterobacteriaceae wird die größte Gruppe von Colibaktindeterminanten von hochkonservierten Kladen dominiert, die einerseits in E. coli Isolaten der phylogenetischen Linie B2 bzw. in verschiedenen Klebsiella spp., Enterobacter cloacae und Enterobacter hormaechei Stämmen auftreten. Die Colibaktinoperons in Serratia marcescens, Erwinia oleae und Klebsiella oxytoca weisen die geringste Verwandtschaft mit den prototypischen Colibaktindeterminanten auf. Es wird deutlich, dass, obwohl sie sich auf der Nukleotidsequenzebene oberflächlich sehr ähneln, dennoch artspezifische Unterschiede in ihrer Gesamtstruktur und ihrem funktionalen Gengehalt auftreten. Während die von uns untersuchten Klebsiella spp. und Citrobacter koseri Isolate eher einheitliche Colibaktinmengen exprimierten, erfolgte die Expression dieses Polyketides unter den getesteten E. coli Isolaten wesentlich variabler und häufig in geringerem Ausmaß. Unsere Ergebnisse tragen zu einem verbesserten Gesamtverständnis der Diversität und der Expression der Colibaktindeterminante in Enterobakterien bei und können die zukünftige funktionale Charakterisierung und Risikobewertung der Colibaktinexpression unterstützen.
Publications
- (2020) ClbR is the key transcriptional activator of colibactin gene expression in Escherichia coli. mSphere. 5(4):e00591-20
Wallenstein A, Rehm N, Brinkmann M, Selle M, Bossuet-Greif N, Sauer D, Bunk B, Spröer C, Wami HT, Homburg S, von Bünau R, König S, Nougayrède JP, Overmann J, Oswald E, Müller R, Dobrindt U
(See online at https://doi.org/10.1128/mSphere.00591-20)
