University, Diss., 2006--Würzburg. / Erscheinungsjahr an der Haupttitelstelle: 2005.

Techn. Universiẗat, Diss., 2001--Braunschweig.

In this study, the role of histone-like proteins in gene regulation in uropathogenic Escherichia coli isolate 536 was monitored. The histone-like nucleoid structuring protein H-NS is a global regulator in Escherichia coli that has been intensively studied in non-pathogenic strains. No comprehensive study on the role of H-NS and it’s homolog StpA on gene expression in a pathogenic E. coli strain has been carried out so far. Moreover, we identified a third, so far uncharacterized member of the H-NS-like protein family in uropathogenic E. coli isolate 536, which was designated Hlp (H-NS-like protein). Hlp is a 134-amino acid protein, which shares 58 % sequence identity with H-NS. The gene coding for the Hlp protein, hlp, is found in several uropathogenic E. coli variants, but not in non-pathogenic E. coli K-12. In UPEC strains 536 and CFT073, Hlp is encoded on a possibly horizontally acquired 23-kb genomic region inserted into the serU locus. Studies on hlp transcription revealed, that the gene is transcribed monocistronically from a single promoter and that expression is repressed by H-NS. Purified Hlp protein was binding to its own and to the hns promoter, thereby mediating negative auto- and crossregulation. Furthermore, Hlp and H-NS were directly interacting, resulting in the formation of stable heteromers. Complementation studies with hns mutant strains in a K-12 background revealed that the Hlp protein had in vivo activity, being able to complement the lack of H-NS in terms of motility, growth, and repression of the proU, bgl, and clyA genes. When analyzing the role of the histone-like proteins in expression of virulence-associated genes by using DNA arrays and classical phenotypic assays, most of the observed effects were mediated by the H-NS protein alone. Expression profiling revealed that transcript level of more than 500 genes was affected by an hns mutation, resulting in increased expression of alpha-hemolysin, fimbriae and iron-uptake systems, as well as genes involved in stress adaptation. Furthermore, several other putative virulence factors were found to be part of the H-NS regulon. On the other hand, no effect of StpA alone was observed. An hns stpA double mutant, however, exhibited a distinct gene expression pattern that differed in great parts from that of the hns single mutant. This suggests a direct interaction between the two homologs and the existence of distinct regulons of H-NS and an H-NS/StpA heteromeric complex. Although the H-NS protein has – either as homomer or in complex with StpA – a marked impact on gene expression in pathogenic E. coli strains, its effect on urovirulence is ambiguous. At a high infection dose, hns mutants accelerate lethality in murine UTI and sepsis models relative to the wild type, probably due to increased production of alpha-hemolysin. At lower infectious dose, however, mutants lacking H-NS are attenuated through their impaired growth rate, which can only partially be compensated by the higher expression of numerous virulence factors. As seen with StpA, an hlp single mutant did not exhibit a notable phenotype under standard growth conditions. A severe growth defect of hns hlp double mutants at low temperatures, however, suggests a biological relevance of H-NS/Hlp heteromers under certain circumstances. Furthermore, these mutants expressed more capsular polysaccharide and curli fimbriae, thereby indicating a distinct role of H-NS and Hlp in regulation of these surface structures. The H-NS paralogs Hlp and StpA also modulated H-NS-mediated regulation of fimbrial adhesins, and are oppositely required for normal growth at low or high temperatures, respectively. Finally, expression levels of the three histone-like proteins H-NS, StpA and Hlp itself varied with different temperatures, thereby suggesting a flexible composition of the nucleoid-associated protein pool. Hence, we propose that the biological role of Hlp and StpA does not rely on a distinct function of the single protein, but rather on their interaction with the global regulator H-NS. / In dieser Studie wurde die Rolle von Histon-ähnlichen Proteinen bei der Genregulation im uropathogenen Escherichia coli (UPEC) Isolat 536 untersucht. Das Histon-ähnliche Protein H-NS (engl. histone-like nucleoid structuring protein) ist ein globaler Regulator in E. coli, der in apathogenen Stämmen eingehend untersucht worden ist. Im Gegensatz dazu liegen noch keine umfassenden Studien zur Rolle von H-NS und des homologen Proteins StpA in einem pathogenen E. coli Stamm vor. Zudem konnten wir ein drittes, bis jetzt noch nicht charakterisiertes Mitglied der Familie von H-NS-ähnlichen Protein im uropathogenen E. coli Isolat 536 identifizieren, das Hlp benannt wurde (für H-NS-like protein). Hlp ist ein aus 134 Aminosäuren bestehendes Protein, dessen Sequenz zu 58 % identisch mit der des H-NS Proteins ist. Das Gen, das für das Hlp Protein kodiert, hlp, konnte in zahlreichen uropathogenen und Fäkalisolaten nachgewiesen werden, jedoch nicht im apathogenen E. coli K-12. In den UPEC Isolaten 536 und CFT073 ist das hlp Gen auf einer 23-kb großen genomischen Insel lokalisiert, die in den serU Lokus inseriert ist und möglicherweise über horizontalen Gentransfer erworben wurde. Untersuchungen zur Transkription des hlp Gens ergaben, dass das Gen monocistronisch von einem einzigen Promotor transkribiert, und dessen Expression durch H-NS reprimiert wird. Rekombinantes Hlp Protein war befähigt, sowohl an seinen eigenen, als auch an den hns Promotor zu binden, was zu negativer Auto- und Kreuzregulation führte. Zudem konnte gezeigt werden, dass Hlp und H-NS direkt miteinander interagieren, was zu stabilen Heteromeren führte. Komplementierungsstudien in hns Mutanten einiger K-12 Stämme ergaben, dass das Hlp Protein über in vivo Aktivität verfügt, was es befähigte, die Abwesenheit von H-NS bei zahlreichen Phänotypen wie z.B. Motilität, Wachstum, und Repression der proU, bgl und clyA Gene zu komplementieren. Die Rolle der Histon-ähnlichen Proteine bei der Expression von Virulenz-assoziierten Genen wurde mittels DNA Array Technologie, sowie klassischen phänotypischen Tests analysiert. Dabei wurden die meisten der beobachteten Effekte einzig durch das H-NS Protein bedingt. Die Expressionsstudien ergaben, dass über 500 Gene von einer hns Mutation beeinflusst wurden, was eine verstärkte Expression des alpha-Hämolysins, mehrerer Fimbrien und Eisenaufnahmesysteme sowie von Genen, die in Stress-Antworten involviert sind, bedingte. Des Weiteren konnten zahlreiche putative Virulenzfaktoren dem H-NS-Regulon zugeordnet werden. Andererseits konnten keine Effekt durch StpA beobachtet werden. Eine hns stpA Doppelmutante wies jedoch ein eindeutiges Expressionsmuster auf, das in großen Teilen von dem der hns Einzelmutante abwich. Dies legt nahe, dass beide Proteine direkt miteinander interagieren, was das Auftreten von unterschiedlichen Regulons zur Folge hat, die entweder durch H-NS oder einem heteromeren H-NS/StpA Komplex beeinflusst werden. Obwohl das H-NS Protein – entweder als Homomer oder als Komplex mit StpA – einen sehr starken Einfluss auf die Genexpression pathogener E. coli Stämme nimmt, bleiben dessen Effekte auf die tatsächliche Virulenz im Urogenitaltrakt unklar. In einem experimentellen Mausmodell der aufsteigenden Harnwegsinfektion bewirken hns Mutanten, in hoher Dosis verabreicht, eine rasch eintretende Lethalität, was vermutlich der verstärkten Produktion von alpha-Hämolysin zuzuschreiben ist. In verringerter Dosis verabreicht, sind diese Mutanten durch ihre langsameren Wachstumsraten jedoch attenuiert, was nur teilweise durch die vestärkte Expression zahlreicher Virulenzfaktoren kompensiert werden kann. Wie schon bei StpA beobachtet, besitzt eine hlp Mutante keinen offensichtlichen Phänotyp, zumindest unter Standard-Wachstumsbedingungen. Jedoch macht sich in hns hlp Doppelmutanten ein starker Wachstumsdefekt bei erniedrigten Temperaturen bemerkbar, was eine biologische Relevanz von H-NS/Hlp Heteromeren unter bestimmten Bedingungen nahe legt. Des Weiteren exprimierten diese Mutanten erhöhte Mengen an Kapsel-Polysacchariden und Curli-Adhesin, was als Indiz für eine besondere Rolle für H NS und Hlp bei der Regulation dieser Oberflächenstrukturen dienen kann. Zudem hatten beide H-NS-Paraloge Hlp und StpA einen modulierenden Effekt bei der H-NS-vermittelten Regulation weiterer Fimbrien-Adhesine und waren in gegenläufigen Maßen für normales Wachstum bei erhöhten bzw. erniedrigten Temperaturen notwendig. Zuletzt variierte das Expressionsniveau der drei Histon-ähnlichen Proteine H-NS, StpA und Hlp bei unterschiedlichen Temperaturen, was auf eine flexible Zusammensetzung verfügbarer Nucleoid-assoziierter Proteine hindeutet. Dies alles impliziert, dass die biologische Relevanz von Hlp, und StpA gleichermaßen, nicht auf gesonderten Funktionen des einzelnen Proteins beruht, sondern vielmehr auf deren Interaktionen mit dem globalen Regulatorprotein H-NS.