Köln, University, Diss., 2005.

Ulm, Univ., Diss., 2002.

Erlangen-Nürnberg, Univ., Diss., 2010.

Universiẗat, Diss., 2007--Würzburg.

Die Histidin-Kinase BvgS des BvgAS-Zwei-Komponentensystems gehört zu den unorthodoxen Histidin-Kinasen, die im Gegensatz zu den klassischen Sensorkinasen durch eine komplexere Domänen-Struktur gekennzeichnet ist. Schon seit längerem ist bekannt, dass BvgS durch niedrige Temperaturen oder die Anwesenheit von chemischen Substanzen, wie Sulfationen oder Nikotinsäure inaktiviert wird. Zudem konnte in vitro gezeigt werden, dass die Autophosphorylierungs-Aktivität der BvgS Histidin-Kinase nach Inkubation mit oxidiertem Ubichinon inhibiert wird (Bock & Gross, 2002). Bislang ist weitgehend unklar, welche Bedeutung die zusätzlichen Domänen, wie die periplasmatische-, PAS- bzw. HPt-Domäne für die Signalwahrnehmung besitzen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde deshalb nach Erstellung einer B. bronchiseptica spezifischen Genbank mit Hilfe des GAL4-Yeast Two-Hybrid (YTH) Systems nach Interaktionspartnern der einzelnen BvgS-Domänen gesucht. Nach dem Ausschluss von falsch-positiven Klonen und dem Durchlauf entsprechender Kontrollen konnten im YTH-System für die periplasmatische und die PAS-Domäne von BvgS insgesamt vier Interaktionspartner identifiziert werden. Für die HPt-Domäne konnte mit Hilfe des YTH-Systems kein möglicher Interaktionspartner gefunden werden. Als ein putativer Interaktionspartner der BvgS-PAS-Domäne wurde das BB0602-Protein identifiziert, das ein ATP-Bindeprotein darstellt, welches als Bestandteil eines ABC-Transport-System für den Transport von verzweigten Aminosäuren verantwortlich gemacht wird. Diese Interaktion konnte mittels eines GST-Pulldownassays bestätigt werden. Der biochemische Nachweis der übrigen identifizierten Protein-Interaktionen konnte im Rahmen dieser Arbeit nicht erbracht werden. Die Ergebnisse des YTH-Screenings deuten darauf hin, dass die Aktivität der BvgS Histidin-Kinase und damit die Virulenzgenexpression durch die An- bzw. Abwesenheit von verzweigten Aminosäuren beeinflusst werden könnte. Im Rahmen dieser Arbeit konnte die Relevanz der Interaktion zwischen der PAS-Domäne und dem ATP-Bindeprotein BB0602 nicht näher charakterisiert werden, so dass in Zukunft unter anderem die Konstruktion einer B. bronschiseptica bb0602-Deletionsmutante geplant ist, um somit mögliche Auswirkungen auf die Expression von bvg-abhängigen Genen zu beobachten. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit lag in der Struktur-Funktionsanalyse des Response Regulators BvgA aus B. holmesii (BvgABH). Kürzlich konnte gezeigt werden, dass trotz der umfangreichen Sequenzkonservierung der BvgA-Proteine aus B. holmesii und B. pertussis, eine B. pertussis bvgA-Mutante nicht durch den bvgA-Lokus aus B. holmesii komplementiert werden konnte (Gerlach et al., 2004). Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein hybrider Response Regulator BvgAfus konstruiert, der aus der Receiver- und Linker-Domäne des BvgABH-Proteins und der Output-Domäne von BvgABP zusammengesetzt ist. Voraussetzung hierfür war die Kenntnis der einzelnen Domänengrenzen und die Sequenz des Linker-Bereiches des Response Regulators BvgA aus B. pertussis (BvgABP), welche durch limitierte Proteolyse und massenspektrometrische Methoden identifiziert wurden (Bantscheff et al., 2000). Im Falle des hybriden Proteins konnte im Gegensatz zu BvgABH eine Bindung an BvgABP-abhängige Promotorsequenzen beobachtet werden. Zudem war BvgAfus in der Lage, die Expression BvgABP-abhängiger Gene in vivo zu induzieren. Allerdings war es in seiner Phosphorylierungseffizienz im Vergleich zum wildtypischen Response Regulator-Protein aus B. holmesii eingeschränkt. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die wenigen Abweichungen zwischen den Aminosäuresequenzen der Output-Domänen dafür verantwortlich sind, dass das BvgABH-Protein die Funktion von BvgABP in vivo und in vitro nicht übernehmen kann. So unterscheiden sich die Output-Domänen der Response Regulatoren aus B. pertussis und B. holmesii in zehn Aminosäureaustauschen, wobei davon vier Aminosäuren innerhalb des Helix-Turn-Helix-Motives verändert sind. Um zu untersuchen, ob die unterschiedlichen DNA-Binde- und transkriptionsaktivierenden Eigenschaften von BvgABH im Besonderen auf diese Aminosäureunterschiede zurückzuführen sind, wurden mittels ortspezifischer Mutagenese die Aminosäuresequenz innerhalb des Helix-Turn-Helix-Motives an die Sequenz aus B. pertussis angeglichen. Das resultierende Protein BvgABH* zeigte eine dem wildtypischen BvgABH-Protein ähnliche Phosphorylierungseffizienz, war aber nicht in der Lage, BvgABP-abhängige Zielsequenzen spezifisch zu erkennen bzw. die Funktion des BvgABP-Proteins in vivo zu ersetzen. Dieses Ergebnis lässt vermuten, dass die wenigen Aminosäureunterschiede der Output-Domäne außerhalb der DNA-Binderegion zwar nicht im Zusammenhang mit der Phosphorylierungseffizienz stehen, jedoch die DNA-Bindeeigenschaften beeinflussen. / The BvgS protein of the BvgAS two-component system belongs to the family of unorthodox histidine-kinases, which are characterized by a more complex domain-structure compared to the classical sensor proteins. Since a long time it is known that the activity of BvgS can be modulated by several external stimuli. At low temperature or in the presence of nicotinic acid or sulfate, the protein is inactivated in vivo and therefore the respective system is switched off under these conditions. Moreover, it has been shown that the incubation of BvgS with oxidized ubichinone had an inhibitory effect on the autophosphorylation activity of the kinase (Bock & Gross, 2002). So far, the relevance for the signal perception of the additional BvgS-domains, like the periplasmic, the PAS- or the HPt-domain is still unclear. Therefore in this work a self-constructed Bordetella bronchiseptica specific gene bank was screened with the periplasmic, the PAS- and the HPt-Domain of BvgS for protein-interactions in the GAL4-yeast two-hybrid (YTH) system. All together four putative protein-interactions were found in the case of the periplasmic and the PAS domain after exclusion of false-positive clones and after going through corresponding controls, while on the other hand no protein interaction could be detected for the HPt domain. Among the detected putative protein interactions of the PAS domain the protein BB0602 was identified as an ATP binding protein of an ABC transport system for branched chain amino acids. This interaction could also be verified by GST-pull down assay. The biochemical proof for the other protein interactions still remains to be done. The results of the YTH screening indicate that the activity of BvgS and therefore the virulence gene expression might be influenced by the presence or absence of branched chain amino acids. Among others characterization of a B. bronchiseptica bb0602 deletion mutant with respect to the possible effect on the expression of bvg-dependent genes will further elucidate the relevance of the detected protein interaction between the BvgS-PAS domain and the BB0602 protein. Another aim of this work was the structural and functional characterization of the response regulator BvgA of B. holmesii (BvgABH). Recently, it was shown that despite extensive sequence conservation between the response regulator BvgA of B. holmesii and BvgA of B. pertussis (BvgABP), the BvgABH protein is not able to replace the function of the BvgABP protein in vitro and in vivo (Gerlach et al., 2004). Therefore in this work a hybrid response regulator protein BvgAfus was constructed, which contains the receiver and the linker domain of BvgABH and the output domain of BvgABP. A Prerequisite for this experiment was the knowledge of domain borders and linker sequences of BvgABP, which have been identified by means of limited proteolysis in combination with mass spectrometric methods (Bantscheff et al., 2000). In contrast to the BvgABH protein, the hybrid response regulator BvgAfus showed binding to BvgABP-dependent promoter sequences. Additionally, BvgAfus was able to induce the expression of BvgABP-dependent genes in vivo. But compared to the wild-type protein BvgABH the hybrid response regulator BvgAfus was limited in its phosphorylation efficiency. These results indicate that the inability of BvgABH to complement BvgABP in B. pertussis is due to the small number of sequence variations present in its output domain. The output domains of BvgABH and BvgABP differ in ten amino acids of which four amino acid substitutions are located in the helix-turn-helix motif (HTH). To investigate whether the different binding and transcription activating properties of BvgABH are due to the sequence variations in the HTH, the sequence was adjusted as compared to BvgABP by means of site directed mutagenesis. The resulting protein BvgABH* showed similar phosphorylation efficiency compared to the wild-type protein BvgABH but no specific binding to BvgABP-dependent promoter sequences and was not able to replace BvgABP functionally in vivo. This result indicates that the few additional amino acid differences outside of the HTH present in the output domain of BvgABH which do not interfere much with the phosphorylation efficiency of the protein influence its DNA binding properties. The identification of further BvgABH regulated genes of B. holmesii and the characterization of BvgABH binding sites will help to further clarify the functional differences between the orthologous BvgA proteins of B. holmesii and B. pertussis.

Zur Gattung Bordetella gehören mehrere zum Teil sehr eng miteinander verwandte Keime, die bislang, mit Ausnahme des Umweltisolats B. petrii, ausschließlich in Assoziation mit einem Wirtsorganismus nachgewiesen werden konnten. Hierzu gehören zum einen die „klassischen“ Arten, deren pathogenes Potential vom obligat humanpathogenen Erreger des Keuchhustens, B. pertussis, dem ebenfalls humanpathogenen Keim B. parapertussis bis hin zu B. bronchiseptica, dem Erreger von Atemwegserkrankungen in verschiedenen Säugetieren, reicht. Zum anderen wurde dieser Gattung mit B. avium, B. hinzii, B. trematum, B. holmesii und B. petrii in den letzten Jahren „neue“ Arten zugeordnet, die zum Teil humanpathogenes, zum Teil tierpathogenes Potential besitzen. Da die evolutionären Beziehungen der „neuen“ Bordetella-Arten innerhalb der Gattung Bordetella bislang noch wenig untersucht wurden, wurde im Rahmen dieser Arbeit die Verbreitung und Konservierung von bekannten Bordetella-Genen und IS-Elementen bei den „neuen“ Bordetella-Arten untersucht. Aufgrund der vermehrten Hinweise auf ein humanpathogenes Potential von B. holmesii und seiner Assoziation mit einem dem Keuchhusten ähnlichen Krankheitsbild wurde der Schwerpunkt dieser Untersuchungen auf die Analyse der phylogenetischen Beziehungen zwischen B. holmesii und dem B. bronchiseptica-Cluster gelegt. Während durch den Nachweis der bei dem B. bronchiseptica-Cluster vorkommenden IS-Elemente IS481 und IS1001 die durch die 16S rDNA-Sequenz ermittelte Position von B. holmesii innerhalb des B. bronchiseptica-Clusters bestätigt werden konnte, ergab eine vergleichende Sequenzanalyse der in der Gattung Bordetella hoch konservierten Proteine OmpA, BvgA und BvgS die interessante Beobachtung, dass dieser Organismus in dieser Hinsicht viel mehr Ähnlichkeiten zu den „neuen“ Bordetella-Arten besitzt und in diesem Zusammenhang phylogenetisch eher im Umfeld von B. avium anzusiedeln ist. Bei der Charakterisierung von vier unterschiedlichen B. holmesii-Blutisolaten wurden im Rahmen dieser Arbeit zwei variante B. holmesii-Stämme identifiziert, die sich hinsichtlich der fehlenden Expression des intakten Response-Regulators BvgABH von wildtypischen B. holmesii-Isolaten unterscheiden. Im weiteren konnte gezeigt werden, dass bei diesen phasenvarianten Stämmen die fehlende Expression auf eine Punktmutation innerhalb der bvgABH-Nukleotidsequenz zurückzuführen ist. Diese wird in beiden Fällen an der selben Nukleotidposition durch die Insertion eines Adenosinrestes hervorgerufen. Obwohl dieser Sequenzabschnitt nicht durch eine repetitive Nukleotidfolge gekennzeichnet ist und somit keinerlei Ähnlichkeiten mit einer für Frameshift-Mutationen anfälligen Stelle besitzt, könnte es sich bei der identifizierten DNA-Region dennoch um einen „hot spot“ für eine Punktmutation handeln, da die zwei varianten B. holmesii-Stämmen unabhängig voneinander aus unterschiedlichen Blutkulturen isoliert wurden. Von besonderer Bedeutung war zudem die Beobachtung, dass sich unter diesen varianten Stämmen auch der bei den Stammsammlungen als Referenzstamm abgelegte B. holmesii-Stamm ATCC51541 befindet. Da im Rahmen dieser Arbeit keinerlei offensichtliche phänotypische Unterschiede zwischen den varianten und den wildtypischen B. holmesii-Stämmen festgestellt werden konnten, bleibt die Bedeutung der Phasenvariation bei B. holmesii bislang noch ungeklärt. Im weiteren wurde mit Hilfe eines „Genome Walks“ die an den bvgABH-Leserahmen angrenzenden DNA-Bereiche für B. holmesii ermittelt. Dabei konnte 5 bp nach dem bvgABH-Stoppcodon ein weiterer Leserahmen (bvgSBH) identifiziert werden, welcher Homologien zu der Histidinkinase BvgS aus B. pertussis besitzt. Interessanterweise stellte sich bei der Sequenzanalyse heraus, dass der Konservierungsgrad des bvgASBH-Locus aus B. holmesii und des bvgAS-Locus aus B. pertussis auf DNA-Ebene sehr gering ist. Diese Beobachtung erklärt wiederum, warum der bvgASBH-Genlocus aus B. holmesii früher nicht durch DNA/DNA- Hybridisierungs-Experimente mit einer B. pertussis spezifischen DNA-Sonde nachgewiesen werden konnte und sein Vorhandensein erst nach dem Einsatz von degenerierten Primern über PCR-Analysen detektiert werden konnte. Im weiteren konnte über den „Genome Walk“ gezeigt werden, dass die an dem bvgAS-Locus angrenzenden DNA-Bereiche innerhalb der Gattung Bordetella nicht konserviert sind. Zum einen ist der bvgASBH-Locus aus B. holmesii nicht wie bei dem B. bronchiseptica-Cluster in 5´-Richtung von dem fhaB-orthologen Genlocus benachbart, da sich an dieser Stelle ein weiterer, potentieller Response-Regulator befindet. Ebenso konnten stromaufwärts von bvgASBH keinerlei Hinweise auf das Vorhandensein eines, dem bvgR-Gen der „klassischen“ Arten orthologen Leserahmens erzielt werden. Über weitere Sequenzanalysen konnte darüber hinaus gezeigt werden, dass der Promotorbereich des bvgASBH-Genlocus überraschenderweise keinerlei offensichtliche Sequenzhomologien zu dem entsprechenden Promotorbereich der bvgAup-Region der „klassischen“ Arten zeigt. Dennoch konnten über in silico-Analysen mehrere Sequenzmotive innerhalb der bvgABHup-Region identifiziert werden, die als „inverted repeat“-Strukturen angeordnet sind und die zum Teil eine hohe Übereinstimmung zu der für die „klassischen“ Bordetella-Arten beschriebene BvgA-Konsensussequenz 5´-T/A T T C C/T T A-3 besitzen. Während sich diese Wiederholungssequenzen hinsichtlich ihrer Symmetrie und ihrer Anordnung von denen innerhalb der für das B. bronchiseptica-Cluster beschriebenen bvgAup-Region unterscheiden, konnten auffällige Parallelen zu der Promotorregion des vag- (virulence activated gene) Gens bvgR festgestellt werden. Obwohl sowohl der Response-Regulator BvgABH aus B. holmesii als auch das BvgA-Protein aus B. pertussis in vitro an die „inverted repeat“ Strukturen der bvgABHup-Region binden kann, führte eine Analyse der GFP-Expression der Reportergenfusion bvgABHup-gfp zu der erstaunlichen Beobachtung, dass die Reportergenfusion in B. pertussis durch die Bindung des BvgA-Proteins reprimiert wird, während sie im Gegensatz dazu in B. holmesii durch die Bindung des BvgABH-Proteins aktiviert wird. Die molekulare Grundlage für diese unterschiedlichen Regulationsmechanismen konnte im Rahmen dieser Arbeit nicht ermittelt werden. Trotz einer umfangreichen Sequenzkonservierung zwischen dem Response-Regulator BvgABH aus B. holmesii und BvgA aus B. pertussis ist das BvgABH-Protein nicht in Lage, die Funktion des BvgA-Proteins aus B. pertussis in vitro bzw. in vivo zu ersetzen. Im Gegensatz dazu konnte mit Hilfe von Komplementationsexperimenten gezeigt werden, dass die Histidinkinase BvgSBH aus B. holmesii in der Lage ist, die Funktion des in dem B. pertussis Stamm 347 mutierten BvgS-Proteins zu übernehmen. Überraschenderweise unterschiedet sich jedoch das BvgSBH-Protein hinsichtlich der Wahrnehmung der Umweltstimuli von BvgS, da die Aktivität der Histidinkinase BvgSBH in dem hybriden B. pertussis Stamm BP 347 (pRK415-bvgASBH ATCC51541) nicht vollständig durch Sulfationen moduliert werden kann. Dies ist möglicherweise darauf zurückzuführen, dass im Gegensatz zu den cytoplasmatischen Regionen die BvgSBH- und BvgS- Sensorproteine vor allem in ihren sensorischen Bereichen einen sehr geringen Konservierungsgrad aufweisen. / Members of the genus Bordetella form a group of closely related organisms. With the exception of the environmental isolate B. petrii, Bordetella species were known until now exclusively in close association with host organsims. The three “classical” Bordetella species possess different pathogenic potential, ranging from the strictly human pathogen and etiological agent of whooping cough, B. pertussis and the likewise human pathogen B. parapertussis to B. bronchiseptica, which causes respiratory infections in a wide range of warm-blooded animals. On the other hand, within the past few years new species have been included in the genus Bordetella, namely, B. avium, B. hinzii, B. trematum, B. holmesii and B. petrii, which are pathogenic for human and/or animals. Since little is known about the phylogenetic relationship of the “new” Bordetella species within the genus Bordetella, these species were inverstigated considering the distribution and conservation of well-characterized Bordetella genes and IS elements. Because of the increasing indication of B. holmesii as an human pathogen and its association with pertussis-like symptomes these experiments were focused on the analysis of its phylogenetic relationship to the B. bronchiseptica cluster. Whereas the observation that the IS elements IS481 and IS1001, characteristic for the B. bronchiseptica cluster, are also found in B. holmesii, supports the 16S rDNA based close relationship of B. holmesii to the B. bronchiseptica cluster, the comparative analysis of OmpA, BvgA and BvgS protein sequences does not. In this regard, B. holmesii is more closely related to other “new” Bordetella species, being directly adjacent to B. avium. During the characterization of four different B. holmesii blood isolates, two variant B. holmesii strains were identified which differ from B. holmesii wild-type strains regarding the expression of the intact response regulator BvgABH. DNA sequence analysis revealed that the lack of expression of BvgABH arises from frameshift mutations which in both cases are due to the presence of an extra A residue within the bvgABH nucleotid sequence. Since the sequence around the site of this point mutation is not characterized by runs of a particular nucleotide there is no evidence for a “classical” context for frameshift mutations. Nevertheless, this DNA region may represent a “hot spot” for frameshift mutations as the two variant B. holmesii strains were isolated independently from different blood cultures. Remarkably, the type strain of B. holmesii is one of the two identified phasevariant strains. However, the role of phase variation in the natural biology of B. holmesii remains unclear since no obvious phenotypic differences could be detected between variant and wildtyp strains. Using the “genome walking” technique a bvgS orthologous gene (bvgSBH) was identified 5 bp downstream of the bvgABH stopcodon. DNA sequence analysis revealed that the bvgASBH locus of B. holmesii and the bvgAS locus of B. pertussis have very limited similarity at the DNA level explaining previous failures to identify the bvgASBH loci in B. holmesii using DNA/DNA hybridization studies and the necessity to make use of degenerate oligonucleotide primers to detect this orthologous genelocus via PCR. The “genom walking” approach further revealed that the flanking regions of the bvgAS loci are not conserved within the genus Bordetella since the bvgASBH locus is not immediately 5´ to the fhaB gene of B. holmesii. Instead, an open reading frame with similarity to a putative reponse regulator was detected upstream of bvgABH. Likewise no evidence of a bvgR homologous genlocus was detected downstream of bvgSBH. Further DNA sequence analysis additionally showed no obvious sequence similarities between the potential promoter region of the bvgASBH locus (bvgABHup) and the bvgAS promoter region of B. pertussis (bvgAup) but revealed the presence of several “inverted repeat” structures within the bvgABHup region which matches the BvgA binding site consensus sequence 5´-T/A T T C C/T T A-3. Whereas the symmetry and the organization of those structures are significantly different from those described within the bvgAup region, interessting similarities to the promoter region of the vag (virulene activated gene) gene bvgR could be identified. Although both, the response regulator BvgABH of B. holmesii and the BvgA protein of B. pertussis show nearly identical binding properties to the “inverted repeat” structures of the bvgABHup region in vitro, analysis of the reporter gene fusion bvgABHup-gfp leads to the observation that in B. pertussis binding of BvgA to the bvgABHup region results in repression of the reporter gene while, BvgABH binding activates GFP expression in B. holmesii. However, the molecular basis for these different regulatory mechanisms remain unclear. Despite extensive sequence conservation between the response regulator BvgABH of B. holmesii and BvgA of B. pertussis, the BvgABH protein is not able to replace the function of the BvgA protein in vitro and in vivo, respectively. In contrast, as was shown by complementation experiments, the histidine kinase BvgSBH of B. holmesii is able to replace the function of the mutated BvgS protein in the B. pertussis strain 347. Nevertheless, also interesting differences between the BvgSBH were identified considering signal recognition since the BvgSBH protein of the hybride B. pertussis strain BP 347 (pRK415-bvgASBH ATCC51541) is only weakly responsive to MgSO4. This may be due to the fact that, in contrast to the corresponding cytoplasmatic regions, the BvgSBH and BvgS sensor proteins are not well conserved in their predicted sensoric regions.

Würzburg, Universiẗat, Diss., 2007.

Hamburg, University, Diss., 2006.

Nürnberg, University, Diss--Erlangen, 2004.

Univ., Diss.--München, 1999.