Senescence of Staphylococci: The roles of Clp ATPases in bacterial metabolism, survival and persistence during late stationary phase
Final Report Abstract
Bakterielle Chaperone sind ein wichtiger Bestandteil von Stress-Antwort-Systemen und vermitteln die Adaptation vieler bakterieller Mikroorganismen an unterschiedliche Umgebungsbedingungen, Wachstumsphasen und Mangelzustände. Staphylococcus aureus, ein wichtiger humanes Pathogen, und verfügt über fünf Clp ATPase und zwei Clp Proteasen. ATPasen dienen zur Disaggregation und zur Rekonstitution geschädigter intrazellulärer Proteine. In Vorarbeiten haben wir insbesondere die ClpC ATPase untersucht und festgestellt, dass unter ClpC Einfluss eine spätstationäre, zum Zeitpunkt der Energiegewinnung durch sekundäre Kohlenstoffmetaboliten funktionelle zweite Wachstumsphase, sowie der Eintritt in die Absterbephase zu beobachten ist. Diese Funktionen konnten mit einer Modifikation des Zitratzyklus-Aktivität assoziiert werden. Ziel des vorliegenden Projektes war es nun, die Bedeutung von S. aureus ClpC und anderen Clp ATPasen in Isolaten aus authentischer chronischer Infektion (hier: Zystische Fibrose) zu untersuchen sowie die Mechanismen, die letztlich zu der Änderung des Zitratzyklus- Stoffwechsels führen, genauer zu identifizieren. Wir haben hierzu bei Isolaten von Patienten mit zystischer Fibrose festgestellt, dass Punktmutationen in einem wichtigen, am Nukleinsäure-Synthese-Stoffwechsel beteiligten Gen, dem Thymidylat A (thyA) Gen, zur Ausbildung von S. aureus ‚small colony variants’ beitragen, und dass diese Varianten wiederum mit einer deutlichen Änderung in der clpC Genexpression und einem reduzierten Acetat-Abbau als Ausdruck reduzierter Aktivität des Zitratzyklus einhergehen. In weiteren Untersuchungen konnten wir zunächst zeigen, dass das Fehlen funktioneller ClpC ATPase mit einer deutlichen Änderung des bakteriellen Transkriptoms und Proteoms einhergeht, wobei insbesondere Stoffwechseländerungen im Bereich der Glukoneogenese und des Pentosephosphatweges in Verbindung mit weiteren metabolischen Änderungen eine Änderung des globalen bakteriellen Metabolismus im Sinne einer ‚Persister’-Form induzieren. In weiteren Untersuchungen konnten wir nachweisen, dass bei Fehlen funktioneller ClpC ATPase Enzyme des Kohlenstoff-Metabolismus verstärkt carbonyliert und damit irreversibel inaktiviert werden. Zusammengenommen ergeben unsere Befunde jetzt ein funktionell klares Bild der Bedeutung von ClpC für das Langzeitüberleben von S. aureus und legen nahe, dass die Staphylokokken-Adaptation an chronische Infektionszustände möglicherweise mit Änderungen in der Regulation von ClpC einhergehen. Diese Beobachtungen erlauben neue Ansätze beispielsweise zur Entwicklung spezifischer, die bakterielle Clp ATPase-Funktion beeinflussender Interventionen und damit zur möglichen Modulation des ‚Persister’Typs chronischer Staphylokokkeninfektion.
Publications
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- Staphylococcus aureus ClpC ATPase is a late growth phase effector of metabolism and persistence. Proteomics 2009; 9:1152-76
Chatterjee I, Schmitt S, Batzilla CF, Engelmann S, Keller A, Ring MW, Kautenburger R, Ziebuhr W, Hecker M, Preissner KT, Bischoff M, Proctor RA, Beck HP, Lenhof HP, Somerville GA, and Herrmann M
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- Staphylococcus aureus ClpC is involved in protection of carbon-metabolizing enzymes from carbonylation during stationary growth phase. Int J Med Microbiol 2011; 301:341-6
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