Der sekundäre Botenstoff c-di-GMP kommt in vielen Bakterienspezies vor und fördert dort die Bildung von Biofilmen. Für Abbau und Synthese von c-di-GMP in der Zelle sorgen Diguanylatzyklasen (DGCs) und Phosphodiesterasen (PDEs), an deren N-Terminus häufig Sensordomänen die enzymatische Aktivität steuern. In dieser Arbeit wurde die Regulation und Wirkungsweise einer Gruppe von PDEs mit einer neuartigen Sensordomäne, der CSS-Domäne, genauer charakterisiert. Die CSS-Domäne ist im Periplasma lokalisiert und besitzt zwei hochkonservierte Cysteine, von denen eines in dem namensgebenden CSS-Motiv arrangiert ist. Die Integration in die innere Membran erfolgt durch zwei Transmembrandomänen (TM1 und TM2), wobei TM2 die Verbindung zu der C-terminal gelagerten EAL-Domäne mit PDE-Aktivität herstellt. Die Analyse von PdeC als eine von fünf CSS-PDE in Escherichia coli K-12 zeigte, dass die Bildung einer Disulfidbrücke zwischen den konservierten Cysteinen vom oxidierende DsbA/DsbB-System katalysiert wird und zu einer Verminderung der enzymatischen Aktivität der EAL-Domäne führt. Im Gegensatz dazu führt die reduzierte freie Thiol-Form der CSS-Domäne zu einer stark erhöhten PDE-Aktivität verbunden mit der Dimerisierung über die TM2. Die Reduktion der CSS-Domäne führt außerdem zur Prozessierung durch die HtrA-Proteasen DegP und DegQ in ein membranständiges Fragment aus TM2+EAL-Domäne mit hoher enzymatischer Aktivität. Der Abbau durch DegP und DegQ im Periplasma ist sehr effizient. Auf der cytoplasmatischen Seite hingegen erfolgt die weitere Degradierung durch noch unbekannte Proteasen eher langsam, wodurch es unter bestimmten Bedingungen zur Akkumulierung der hochaktiven TM2+EAL-Form kommt. Durch das Zusammenspiel von redox-abhängiger Aktivitätskontrolle und Proteolyse der c-di-GMP-spezifischen PDE PdeC wird die Produktion der amyloiden Curli-Fasern und Cellulose reguliert, welche Hauptbestandteil der extrazellulären Matrix von Biofilmen sind. / The second messenger c-di-GMP promotes biofilm formation in many bacterial species. Phosphodiesterases (PDEs) and diguanylatcyclases (DGCs) - often controlled by various N-terminal sensor domains - degrade and synthesize c-di-GMP. The aim of this study was to characterize the mode of activation and physiological function of a new class of sensor domains, the CSS domain, which is coupled to an EAL domain with PDE activity and therefore potentially controlling c-di-GMP degradation. The CSS sensor domain contains two highly conserved cysteins in the periplasmic loop, of which one is arranged in the characteristic CSS motif. Integration into the inner membrane is ensured by two flanking transmembrane domains (TM1 and TM2), with TM2 providing a connection to the C-terminal EAL domain. Analysis of PdeC as one of 5 CSS-PDEs in Escherichia coli K-12 revealed a close linkage to the disulfide bond (DSB) system as well as important periplasmic proteases. Thus, formation of a DSB between the two conserved cysteins is promoted by the oxidizing DsbA/DsbB-system and reduces enzymatic activitiy of the EAL domain. In contrast, the free thiol form increases PDE activity and dimerizes via the TM2 domain. Moreover, reduction of the CSS domain results in degradation by the periplasmic HtrA proteases DegP and DegQ. These redundantly process PdeC to a shorter fragment containing the TM2 and EAL domain only, which shows dimerization as well and has high PDE activity. Degradation in the periplasm mediated by DegP and DegQ is very efficient. In contrast, further proteolysis in the cytoplasm by yet unidentified proteases is rather slow, allowing the accumulation of the highly active TM2+EAL form. Finally, the interplay of redox dependent activity control and proteolysis of the c-di-GMP specific PDE PdeC regulates production of curli and cellulose as major matrix components of the bacterial biofilm.

The second messenger cyclic diguanylate monophosphate (c-di-GMP) has been proven to be a central regulator for physiological and metabolic processes including biofilm formation and sessile to motile transitioning (1,2). The synthesis and degradation of c-di-GMP are regulated by GGDEF- respectively EAL-domain proteins. Recently, c-di-GMP has been discovered in the Gram-positive Streptococcus genus including Streptococcus gallolyticus, which showed to have diguanylate cyclase activity (3). Characterisation of the c-di-GMP network in other Streptococcus is of relevance. Hence, the aim of this project was the assessment of the GGDEF- and EAL domains from the animal pathogenic Streptococcus uberis and Streptococcus henryi. In vivo recombination cloning was used for the analysis of the GGDEF, EAL and GGDEF-EAL domain proteins from S. uberis and S. henryi. The cloning was unsuccessful for most of the domain proteins, except, for EAL 2 of S. uberis. However, analysis of the sequencing results for the cloned EAL 2 presented mutations. Further studies testing alternative cloning methods should be applied. Research regarding probiotic streptococci is also of interest. Therefore, isolation of Streptococcus salivarius from human oral samples using Streptococcus Selection Agar was conducted. Isolation of S. salivarius from human saliva and tongue samples was successful using Streptococcus Selection Agar. Other Streptococcus spp., Lactobacillus, Staphylococcus, and additional bacterial species were also isolated.

c-di-GMP stellt einen wichtigen Regulator bei der Kontrolle von Motilität, Virulenz und der Biofilmbildung in Bakterien dar. Aufgrund der Vielfalt c-di-GMP-synthetisierender (Diguanylatzyklasen, DGC) bzw. abbauender (Phosphodiesterasen, PDE) Enzyme, c-di-GMP-bindender Effektoren und zellulärer Antworten etablierte sich die Theorie paralleler Regulationsmodule, die sich aus DGC, PDE, Effektor und Zielmolekül zusammensetzen und spezifische Prozesse wie die Cellulose-Synthese kontrollieren. Während die Aktivierung dieser durch c-di-GMP bereits verstanden und damit Effektor und Zielmolekül bekannt sind, konnten dem Modul bisher keine spezifisch wirkenden DGCs und PDEs zugeordnet werden. Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Proteine DgcC und PdeK in E. coli spezifisch auf die Cellulose-Synthese in Makrokolonie-Biofilmen wirken und ein solches c-di-GMP-Modul bilden. Beide sind aktiv an der Umsetzung von c-di-GMP beteiligt und mittels Interaktionen Teil eines Multi-Protein-Komplexes, der auch die Cellulose-Synthase-Einheiten BcsA und BcsB umfasst. Aufgrund dieser Co-Lokalisation können DgcC und PdeK die c-di-GMP-Konzentration in unmittelbarer Umgebung zum c-di-GMP-bindenden Effektor BcsA kontrollieren. DgcC-PdeK somit stellen das erste Regulationsmodul dar, welches durch lokalisierte Synthese und Abbau von c-di-GMP wirkt und dessen Spezifität aufgrund multipler Protein-Interaktionen gewährleistet wird. 2011 kam es in Mitteleuropa zu einem schweren Ausbruch von Shiga-Toxin-produzierenden E. coli O104:H4, in dessen Verlauf fast 4000 Menschen erkrankten und etwa 20% ein Hämolytisch-urämisches Syndrom entwickelten. Die in dieser Arbeit erlangten Ergebnisse legen nahe, dass die einzigartige Kombination aus Toxin-Produktion und Biofilm-assoziierter Eigenschaften – das Potential zur c-di-GMP-Akkumulation (TL Povolotsky), verstärkte CsgD-Synthese und vor allem keine Cellulose-Produktion– möglicherweise zur erhöhten Virulenz dieses E. coli O104:H4 beitragen. / c-di-GMP represents an important regulator in the control of motility, virulence and biofilm formation. Due to the multiplicity of c-di-GMP-forming (diguanylate cyclases, DGCc) and -degrading (phosphodiesterases, PDEs) enzymes, c-di-GMP-binding effectors and cellular outputs, the theory of parallel existing c-di-GMP-regulation modules was established. Such a module consists of a DGC, a PDE, an effector and a target controlling a specific cellular output such as cellulose synthesis. Whereas the activation of cellulose synthesis is well understood, and therefore effector and target molecule are known, so far no DGC or PDE has been associated with the cellulose-specific c-di-GMP-module. Within the framework of this work it was shown that DgcC and PdeK act specifically on the regulation of cellulose synthesis in macrocolony biofilms, thus forming a c-di-GMP module. Both proteins are enzymatically active concerning c-di-GMP metabolism and through protein-interactions part of a multi-protein-complex, which includes the cellulose synthase-subunits BcsA and BcsB, too. Due to this co-localisation DgcC and PdeK can control the c-di-GMP-concentration in close proximity to the c-di-GMP-binding cellulose-synthase BcsA. Therefore, DgcC-PdeK represents the first signalling module, which acts through local c-di-GMP-synthesis and -degradation and controls specifically cellulose because of multiple protein-interactions with the synthase-complex. In 2011 a serious outbreak of shiga toxin producing E. coli O104:H4 occurred in Middle Europe with nearly 4000 patients of whom approximately 20% developing haemolytic uraemic syndrome. The results obtained in this study suggest that a unique combination of shiga toxin production and biofilm-associated properties – the potential of c-di-GMP accumulation (see PhD Thesis T. L. Povolotsky), enhanced CsgD-synthesis at 37°C and especially no cellulose production – potentially contribute to the enhanced virulence of E. coli O104:H4.