Untersuchung zur Funktion des Accumulation associated proteins (Aap) bei der Staphylococcus epidermidis Biofilmbildung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das pathogene Potential des Hautkeims Staphylococcus epidermidis entwickelt sich durch die Fähigkeit des Erregers, auf der Oberfläche von implantierten Fremdmaterialien so genannte Biofilme auszubilden. Die Organisation von S. epidermidis in anheftenden Bakterienaggregaten führt in der Folge zu chronisch persistierenden Infektionen, die regelhaft eine Entfernung entsprechender Implantate notwendig machen. In dem hier durchgeführten Projekt wurde die Rolle des accumulation associated proteins (Aap) bei der S. epidermidis Biofilmbildung näher charakterisiert. Aap ist ein auf der Oberfläche von S. epidermidis nachweisbares Protein, welches ähnlich einem Klebstoff bakterielle Zell-Zell- Verbindungen realisiert und hierdurch die Biofilmorganisation vermittelt. Um Zellen miteinander zu verbinden, muss Aap an Strukturen auf der Oberfläche benachbarter Bakterienzellen binden. Bakterielle Interaktionspartner von Aap waren bislang nicht bekannt. Ihre Kenntnis und das grundlegende Verständnis der Mechanismen, mit denen diese Strukturen zur Biofilmbildung beitragen, sind von Bedeutung für innovative, präventive und therapeutische Strategien. In dieser Förderperiode ist es gelungen, erstmalig nicht nur grundsätzliche Evidenz für die Existenz von spezifischen Aap-Interaktionspartnern zu gewinnen, sondern auch Proteine mit Aap-bindender Aktivität zu identifizieren. Neben bereits beschriebenen Oberflächenproteinen handelt es sich hierbei um ein bislang unbekanntes, 18 kDa großes Exportprotein. Dieses wurde aufgrund seiner putativen Funktion als Aapassociated Staphylococcus epidermidis extracellular adhesin (AaStrA) bezeichnet. Das AaStrA kodierende Gen konnte in einer Sammlung klinischer S. epidermidis Isolate bei über 95 % der Stämme nachgewiesen werden. AaStrA wird konstitutiv in der expotentiellen wie auch stationären Wachstumsphase gebildet, aus der Zelle ausgeschleust, um dann an die bakterielle Oberfläche zu binden. Unter Verwendung rekombinanter Proteine konnte die Wechselwirkung von AaStrA und Aap Domäne-B biochemisch validiert werden. Funktionelle Untersuchungen zeigten, dass AaStrA an der Aap-abhängigen Biofilmbildung beteiligt ist. Darüber hinaus konnten genetische Untersuchungen belegen, dass AaStrA auch über eine inhärente, von Aap unabhängige biofilminduzierende Funktion verfügt. Die biofilminduzierende Funktion von Aap ist abhängig von einer Spaltung des Proteins. Hierbei wird eine N-terminale Domäne (Domäne-A) entfernt und damit die interzellulär adhäsive Funktion einer C-terminalen, repetitiven Domäne (Domäne-B) aktiviert. Hier konnten erste indirekte Hinweise auf die biochemische Natur der beteiligten Enzymsysteme gewonnen werden. Darüber hinaus zeigen unsere Ergebnisse, dass die Domäne-A über eine definierte autoproteolytische Funktion verfügt. Hierdurch konnten aus bioinformatischen Analysen abgeleitete Vorhersagen biochemisch bestätigt werden. Weitere Untersuchungen sind nun notwendig, um die dynamischen Prozesse der Aap-Aktivierung, seiner Bindung an seine Interaktionspartner und konsekutive Biofilmbildung besser zu verstehen. Hierzu gehört insbesondere auch die Analyse der Auseinandersetzung der angeborenen Immunität. Erstmalig konnte in dieser Arbeit dargestellt werden, dass die Aap-abhängige Biofilmbildung S. epidermidis spezifisch vor Phagozytose durch Makrophagen schützt. Das Projekt hat zu neuen Erkenntnissen geführt, die es uns erlauben, die molekularen Determinanten der S. epidermidis Biofilmbildung besser zu verstehen. Die Ergebnisse unserer bisherigen Untersuchungen sowie die Bearbeitung der sich ergebenden weiterführender Fragen wird zukünftig ein tieferes Verständnis der komplexen Mechanismen der S. epidermidis Biofilmbildung resultieren. Dieses ist als entscheidende Basis für die Entwicklung innovativer Strategien zur Bekämpfung fremdmaterialassoziierter S. epidermidis Infektionen zu betrachten.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- 2007. Expression and functional characterization of gfpmut3.1 and its unstable variants in Staphylococcus epidermidis. J. Microbiol Methods 71:123-32
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- 2007. Localized tufts of fibrils on Staphylococcus epidermidis NCTC 11047 are comprised of the accumulation-associated protein. J Bacteriol. 189: 2793-2804
Banner M.A., J.G. Cunniffe, R.L. Macintosh, T.J. Foster, H. Rohde, D. Mack, E. Hoyes, J. Derrick, M. Upton , P.S. Handley
- 2007. Polysaccharide intercellular adhesin or protein factors in biofilm accumulation of Staphylococcus epidermidis and Staphylococcus aureus isolated from prosthetic hip and knee joint infections. Biomaterials 28:1711 - 1720
Rohde, H., E. C. Burandt, N. Siemssen, L. Frommelt, C. Burdelski, S. Wurster, S. Scherpe, A. P. Davies, L. G. Harris, M. A. Horstkotte, J. K.-M. Knobloch, C. Ragunath, J. B. Kaplan, D. Mack
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Fredheim, E. G. A., C. Klingenberg, H. Rohde, S. Frankenberger, P. Gaustad, T. Flægstad, J. E. Sollid
- 2009. The giant extracellular matrix binding protein of Staphylococcus epidermidis mediates biofilm accumulation and attachment to fibronectin. Mol. Microbiol. Mol. Microbiol.75: 187 – 207
Christner, M., G. C. Franke, N. Schommer, U. Wendt, K. Wegert, P. Pehle, G. Kroll, C. Schulze, F. Buck, D. Mack, M. Aepfelbacher, H. Rohde
