Regulation of biofilm formation in S. epidermidis: interaction of known and evaluation of new regulators

  • Knobloch, Johannes (Principal Investigator (PI))
  • Mack, Dietrich (Associated Staff)

Project: DFG ProjectsDFG Individual Projects

Project Details

Description

Staphylococcus epidermidis zählt zu den häufigsten Erregern nosokomialer Infektionen und führt zu erheblicher Morbidität und Mortalität. Wichtigster Pathogenitätsfaktor hierbei ist die Fähigkeit zur Bildung mehrlagiger Biofilme, in denen der Zellkontakt durch das interzelluläre Polysaccharidadhäsin PIA erfolgt. Die PIA Synthese wird maßgeblich durch den alternativen Sigmafaktor sB reguliert. Die sB abhängige Regulation erfolgt hierbei durch eine indirekte Inhibierung des icaR Gens, welches einen negativen Regulator der PIA Synthese kodiert, sowie durch direkte Aktivierung der positiven Regulatoren der PIA Synthese YabJ und SpoVG. Weiterhin kann die Suppression von icaR unabhängig von sB durch Ethanolstress erfolgen und so die Biofilmbildung stimuliert werden. Die Wege der Suppression der icaR Transkription durch sB und Ethanol, sowie der Mechanismus der YabJ/SpoVG abhängigen Regulation sind bisher ungeklärt und sind Gegenstand dieses Projekts. Durch Mutagenese und Selektion von Biofilm-positiven Revertanten in geeigneten Mutanten des sB Operons sollen diese Regulationswege aufgeklärt werden. Die Regulation der Biofilmbildung stellt einen möglichen Angriffspunkt für die Therapie von Infektionen durch S. epidermidis dar. Durch die geplanten Untersuchungen sollen optimale Ziele innerhalb der Regulationskaskade definiert werden.

Key findings

Staphylococcus epidermidis hat sich durch seine Fähigkeit zur Bildung mehrlagiger Biofilme auf den Oberflächen implantierter medizinischer Produkte zu einem bedeutenden Erreger Fremdkörper-assoziierter Infektionen entwickelt. Die Ausbildung von Biofilmen wird durch ein komplexes Netzwerk mehrerer spezifischer und globaler Regulatoren gesteuert. Als spezifischer Regulator wurde das Protein IcaR identifiziert. Als globale Regulatoren haben der alternative s-Faktor sB, der Regulator SarA und das agr Quorum sensing System einen Einfluss auf die Ausbildung von Biofilmen durch S. epidermidis. Vor Beginn des Projektes konnten durch Transposonmutagenese weitere regulative Genorte für die Biofilmbildung identifiziert werden. In einer Mutante MI 2 waren insgesamt vier Gene inaktiviert und es sollte im Rahmen des Projektes die Bedeutung der einzelnen Gene für die Biofilmbildung untersucht werden. Es konnten zwei wesentliche Fortschritte in der Regulation von Virulenzfaktoren in S. epidermidis gemacht werden. Es konnte gezeigt werden, dass die sB-abhängigen Gene barA und barB für Regulatoren der Biofilmbildung kodieren, wobei das Protein BarB einen essentiellen Regulator der Biofilmbildung darstellt. Somit konnte ein neuer Angriffspunkt für die Verhinderung und ggf. die Therapie Biofilm-assoziierter Infektionen definiert werden. Innerhalb der Arbeitsgruppe werden in Zukunft Untersuchungen zum Wirkmechanismus der Regulation durch BarB ein wesentlicher Bestandteil weitergehender Untersuchungen sein. Weiterhin sollen in Kooperation mit dem Institut für Biochemie der Universität zu Lübeck geeignete Substanzen zur Inhibierung von BarB identifiziert werden. In dem zweiten Teilprojekt konnte gezeigt werden, dass eine Reihe von extrazellulären Virulenzfaktoren indirekt durch den alternativen s-Faktor sB reguliert werden. Es konnte gezeigt werden, dass die extrazellulären Proteasen sowie die extrazellulären Lipasen durch sB negativ reguliert werden. Hierbei erfolgt die Regulation über Inhibierung des agr Quorum Sensing Systems in S. epidermidis. Neben der transkriptionellen Regulation spielt die proteolytische Prozessierung extrazellulärer Proleine ebenfalls eine wesentliche Rolle in der Regulation extrazellulärer Proteine. Hierbei konnte gezeigt werden, dass die verschiedenen extrazellulären Proteasen unterschiedliche Bedeutung für die Aktivierung bzw. Deaktivierung der Lipasen haben. Gleichzeitig konnte gezeigt werden, dass das Biofilm-assoziierte Protein Aap spezifisch prozessiert wird. Somit konnte in diesem Teilprojekt ebenfalls ein wesentlicher Beitrag zum Verständnis der Regulation von Virulenzfaktoren in S. epidermidis beigetragen werden. Die Generierung von Doppelmutanten mit Inaktivierung des agr Operons sowie verschiedenen Deletionen innerhalb des sB-Operons ermöglichen in zukünftigen Untersuchungen die Trennung der direkt sB-vermitlelten Regulation sowie der indirekt über Inhibierung des Quorum Sensing Systems vermittelten Regulation innerhalb von S. epidermidis. Hierzu sind vergleichende Transkriptomuntersuchungen der einzelnen Mutanten in der Arbeitsgruppe geplant.

Statusfinished
Effective start/end date01.01.0431.12.08

Collaborative partners

  • University of Wales Swansea (Associated Staff) (lead)

UN Sustainable Development Goals

In 2015, UN member states agreed to 17 global Sustainable Development Goals (SDGs) to end poverty, protect the planet and ensure prosperity for all. This project contributes towards the following SDG(s):

  • SDG 3 - Good Health and Well-being

Research Areas and Centers

  • Academic Focus: Center for Infection and Inflammation Research (ZIEL)

DFG Research Classification Scheme

  • 204-03 Medical Microbiology and Mycology, Hygiene, Molecular Infection Biology

Funding Institution

  • DFG: German Research Association