Univ., Diss., 2010--Würzburg.

Horizontaler Gentransfer zwischen Bakterien – sogar zwischen verschiedenen Spezies – ist ein wichtiger Mechanismus für den Austausch genetischer Information. Dies kann dem Rezipienten einen selektiven Vorteil verleihen, z. B. durch die schnelle Aneignung von Genclustern, die für Pathogenitäts- oder Fitnessfaktoren kodieren. Die Variabilität bakterieller Genome durch Aneignung und Inkorporation genetischen Materials in das Genom trägt somit erheblich zur Evolution von Bakterien bei. Bakterielle Genome neigen allerdings dazu, nutzlose genetische Information zu verlieren und daher kann horizontal erworbener DNA häufig eine distinkte biologische Funktion zugeordnet werden. Das Colibactin-Gencluster, welches zuerst in Escherichia coli gefunden wurde, weist mehrere Charakteristika einer horizontal erworbenen genomischen Insel auf. Die Größe dieser genomischen Insel beträgt 54 kb und sie umfasst 20 offene Leseraster (ORFs), von denen acht für putative Polyketidsynthasen (PKS), nichtribosomale Peptidsynthasen (NRPS) und Hybride dieser kodieren. Colibactin übt einen zytopathischen Effekt (CPE) auf eukaryotische Zellen in vitro aus. Nach Kokultivierung Colibactin-Gencluster-positiven Bakterien mit eukaryotischen Zellen kommt es zu DNA Doppelstrang Brüchen, Zellzyklus-Arrest in der G2-Phase, Megalozytose und schließlich zum Zelltod. Diese Effekte sind mit denen des Zyklomodulins „Cytolethal Distending Toxin“ (CDT) vergleichbar, allerdings konnte die biologische Funktion des Colibactins in vivo bisher nicht aufgeklärt werden. Das Colibactin-Gencluster wurde bisher nur in Escherichia coli Stämmen der phylogenetischen Gruppe B2 als individuelle genomische Insel, integriert im tRNA-asnW-Gen, vorgefunden. Im Rahmen dieser Arbeit konnte das Colibactin-Gencluster auch in E. coli der phylogenetischen Gruppe B1 und in Citrobacter koseri, Enterobacter aerogenes und Klebsiella pneumoniae subsp. pneumoniae nachgewiesen werden. In diesen Bakterienstämmen ist das Colibactin-Gencluster Teil eines genetischen Elements, das Ähnlichkeit zu integrativen und konjugativen Elementen (ICE) aus E. coli und K. pneumoniae aufweist. Im Gegensatz zur hochkonservierten Integrationsstelle des Colibactin-Genclusters in tRNA-asnW in E. coli der phylogenetischen Gruppe B2 konnte die Integrationsstelle dieses ICE in E. coli der Gruppe B1 in tRNA-asnU bestimmt werden. In Bakterienstämmen der Spezies K. pneumoniae subsp. pneumoniae wurden vier verschiedene Integrationsstellen in fünf analysierten Stämmen identifiziert. Neben der Studien zur Verbreitung und chromosomalen Integration des Colibactin-Genclusters wurden Kolonisierungsstudien im murinen streptomycinbehandelten Intestinaltrakt mit E. coli Stamm Nissle 1917 durchgeführt, um eine mögliche Funktion des Colibactins im Darmtrakt näher zu untersuchen. Weder in nicht-kompetitiven noch in kompetitiven Versuchsdurchführungen konnte dabei ein Kolonisierungsvorteil durch Colibactin nachgewiesen werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit haben gezeigt, dass das Colibactin-Gencluster in verschiedenen Spezies der Enterobacteriaceae vorhanden und funktional ist. Das Auftreten dieses sowohl als individuelle genomische Insel als auch als Teil eines ICE veranschaulicht die genetische Plastizität dieses Elements und die Bedeutung des horizontalen Transfers genetischen Materials. Die biologische Funktion des Colibactins in vivo bleibt weiterhin unklar und könnte sowohl die bakterielle Fitness als auch die Virulenz beeinflussen. / Horizontal gene transfer between bacteria – even between different species – has been shown to be an important mechanism for exchange of genetic material. This may confer a selective advantage to the recipient, e. g. the rapid acquisition of gene clusters coding for pathogenicity or fitness factors. The variability of bacterial genomes enabled by acquisition and incorporation of genetic material into their genome contributes considerably to bacterial evolution. Bacterial genomes tend to lose useless genetic information and therefore horizontally acquired DNA can most frequently be connected to a distinct biological function. The colibactin gene cluster initially discovered in Escherichia coli displays several features of a horizontally acquired genomic island. This genomic island is approximately 54 kb in size and consists of 20 open reading frames (ORFs), of which eight code for putative polyketide synthases (PKS), non-ribosomal peptide synthases (NRPS) and hybrids thereof. The synthesized hybrid non-ribosomal peptide-polyketide colibactin exerts a cytopathic effect (CPE) on eukaryotic cells, DNA double strand breaks are induced, the cells are arrested in the G2-phase of the cell cycle and exhibit megalocytosis and cell death. These effects are comparable to the effects of the cyclomodulin cytolethal distending toxin (CDT), but the biological function of colibactin in vivo is still unknown. So far the colibactin gene cluster has only been found in Escherichia coli strains of the phylogenetic lineage B2 as an individual genomic island integrated at the tRNA-asnW gene. In context of this thesis the colibactin gene cluster could be identified in E. coli strains of the phylogenetic group B1 as well as in Citrobacter koseri, Enterobacter aerogenes and Klebsiella pneumoniae subsp. pneumoniae. In those bacterial strains the colibactin gene cluster is part of a genetic element, which exhibits similarities to integrative and conjugative elements (ICE) previously described in E. coli and K. pneumoniae. In contrast to the highly conserved integration site of the colibactin gene cluster at tRNA-asnW in E. coli of the phylogenetic lineage B2, integration at tRNA-asnU was determined in E. coli of group B1. In bacterial strains of the species K. pneumoniae subsp. pneumoniae four different integration sites in a total of five strains were identified. Besides the surveys concerning the distribution and chromosomal integration of the colibactin gene cluster colonization studies of the murine streptomycin-treated intestinal tract were conducted using E. coli strain Nissle 1917 to examine a possible effect of colibactin in this context. However, there was no evidence providing a colibactin-related advantage during colonization neither in non-competitive nor in competitive experimental setups. In this thesis the existence and functionality of the colibactin gene cluster within different species of the Enterobacteriaceae was shown. Its occurrence as an individual genomic island as well as a part of an ICE demonstrates the genetic plasticity of this element and the impact of horizontally transferred genetic material. The biological function of colibactin in vivo remains to be elucidated and may affect both bacterial fitness and virulence.

Das Cyanobakterium Microcystis aeruginosa PCC 7806 enthält zwei Proteine unbekannter Funktion, welche eine hohe Sequenzähnlichkeit mit Bausteinen des eukaryotischen Aktinzytoskeletts haben. Eines dieser Proteine ist Aktin selbst, das andere ist das Aktinbindeprotein Profilin. Die vorliegende Arbeit enthält eine detaillierte Charakterisierung beider Proteine sowie Vergleiche mit ihren eukaryotischen Verwandten. So inhibiert, im Gegensatz zu Eukaryoten, cyanobakterielles Aktin nicht das Enzym DNaseI. Es bildet jedoch Polymere, die hier mit Phalloidin visualisiert wurden. Konfokale Mikroskopie offenbart klare Unterschiede in den Polymeren, da die cyanobakteriellen eine Länge von 10 µm nicht überschreiten und breiter sind als die zylindrischen, ca. 100 µm langen Filamente eukaryotischen Aktins. Röntgen-Kleinwinkelstreuungsdaten zeigen, dass cyanobakterielle Aktinpolymere in ihrer Form am ehesten einem Band ähneln. Es bestehen auch Unterschiede hinsichtlich des Profilins: während es in Eukaryoten ausschließlich Aktinmonomere bindet, assoziiert cyanobakterielles Profilin mit Aktinfilamenten und vermittelt die Entstehung flächiger Heteropolymere. GFP-Fusionsstudien zeigen, dass die Koexpression von Aktin und Profilin die Bildung eines Hohlraumkompartiments in E.coli nach sich zieht. Ähnliche Gebilde wurden bereits in Microcystis gezeigt und könnten auf die beobachteten Heteropolymere zurückzuführen sein. Diese Arbeit verdeutlicht, dass beide Proteine in einer natürlichen Bakterienpopulation etabliert sind und dort Merkmale tragen, die ihre eukaryotischen Vorläufer nicht zeigen. Folglich könnte die Anpassung an die räumlichen Begrenzungen einer Bakterienzelle, welcher die für die Regulierung der Polymerisation notwendigen Aktinbindeproteine fehlen, die Triebkraft für eine Koevolution von cyanobakteriellem Aktin und Profilin gewesen sein. Dieser Prozess gipfelte möglicherweise in der Entstehung eines neuartigen intrazellulären Gebildes von potentiell struktureller Bedeutung. / The cyanobacterium Microcystis aeruginosa PCC 7806 harbors two proteins with unknown functions that were transferred horizontally from eukaryotes and show a high degree of sequence identity with key components of the eukaryotic actin cytoskeleton. One is actin itself; the other is profilin, an actin binding protein. This work presents the detailed characterization of both proteins and comparisons with the eukaryotic archetype. In contrast to bona fide actin, its cyanobacterial counterpart does not inhibit DNaseI. It forms polymers that can be visualized with labeled phalloidin, resembling eukaryotic actin in that respect. However, confocal microscopy reveals key differences between polymers of eukaryotic and cyanobacterial actin. Whereas the former appear as cylindrical filaments about 100 µm in length, the latter are shorter and wider arresting polymerization at 5-10 µm. Structural elucidation by Small-angle X-ray scattering shows that cyanobacterial actin polymers are ribbon-shaped. This work also shows fundamental differences between cyanobacterial and eukaryotic profilin. Most importantly, cyanobacterial profilin binds actin filaments and mediates their assembly into heteropolymeric sheets. GFP labeling experiments show that the co-expression of cyanobacterial profilin and actin results in the formation of large hollow enclosures in E.coli. These structures resemble the shell-like distribution of actin in Microcystis aeruginosa and may be based on the actin/profilin heteropolymers observed in vitro. This work shows that both cyanobacterial proteins are established in a natural bacterial community where they have gained properties unknown from their eukaryotic ancestors. Consequently, the adaptation to the confined space of a bacterial cell devoid of binding proteins usually regulating actin polymerization in eukaryotes may have driven the co-evolution of cyanobacterial actin and profilin, giving rise to an intracellular entity of potential structural relevance.

Plasmids providing antibiotic resistance to their host bacteria pose a major threat to society, as antibiotics are often the only way to treat infectious diseases. Here the existence conditions of plasmids are investigated in an ecological framework with mathematical methods such as ordinary differential equations and individual-based models. It is shown how (i) the arise of different kinds of compensatory mutation, (ii) intra- and intercellular interactions of plasmids representing opposing plasmid lifestyles as well as (iii) a diverse plasmid community affect plasmid dynamics, community composition and persistence. The results indicate that evolutionary modifications and interactions between plasmids broaden the existence conditions of plasmids in a way that has not been recognized before, but explains their occurrence in nature. This includes that biotic interactions could maintain costly plasmid-encoded antibiotic resistance despite the absence of abiotic selection. These findings open a way to study remaining research questions related to the complexity of natural environments.:1. Introduction 2. Article I (published) – Mobile compensatory mutations promote plasmid survival 3. Article II (published) – Conjugative plasmids enable the maintenance of low cost non-transmissible plasmids 4. Article III (submitted) – The autopoiesis of plasmid diversity 5. Supervised Master thesis I – The propagation of antibiotic resistances considering migration between microhabitats 6. Supervised Master thesis II – Estimation of the pB10 conjugation rate in Escherichia coli combining laboratory experiments and modelling 7. Supervised research internship – Plasmid population dynamics considering individual plasmid copy numbers 8. Discussion / Plasmide, die Antibiotikaresistenzen an ihre Wirtsbakterien vermitteln, stellen eine große Bedrohung füur die Gesellschaft dar, weil Antibiotika oft die einzige Möglichkeit sind Infektionskrankheiten zu behandeln. In dieser Arbeit werden die Existenzbedingungen von Plasmiden aus einer ökologischen Perspektive mit mathematischen Methoden wie gewöhnlichen Differentialgleichungen und Individuen-basierten Modellen untersucht. Es wird gezeigt, wie (i) das Aufkommen verschiedener Kosten-kompensierender Mutationen, (ii) intra- und interzelluläre Wechselwirkungen von Plasmiden, die gegensätzliche Plasmidlebensstile repräsentieren, sowie (iii) eine vielfältige Plasmidgemeinschaft einen Einfluss auf die Dynamik, Gemeinschaftszusammensetzung und Persistenz von Plasmiden ausüben. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass evolutionäre Modifikationen und Wechselwirkungen zwischen Plasmiden die Existenzbedingungen von Plasmiden in einer Weise erweitern, die bisher nicht erkannt wurde, aber ihr Auftreten in der Natur erklärt. Dazu gehört auch, dass biotische Wechselwirkungen trotz fehlender abiotischer Selektion eine kostspielige Plasmid-vermittelte Antibiotikaresistenz aufrechterhalten könnten. Die Erkentnisse dieser Arbeit können dazu genutzt werden verbleibende Forschungsfragen anzugehen, die im Zusammenhang mit der Komplexität der natürlichen Umwelt stehen.:1. Introduction 2. Article I (published) – Mobile compensatory mutations promote plasmid survival 3. Article II (published) – Conjugative plasmids enable the maintenance of low cost non-transmissible plasmids 4. Article III (submitted) – The autopoiesis of plasmid diversity 5. Supervised Master thesis I – The propagation of antibiotic resistances considering migration between microhabitats 6. Supervised Master thesis II – Estimation of the pB10 conjugation rate in Escherichia coli combining laboratory experiments and modelling 7. Supervised research internship – Plasmid population dynamics considering individual plasmid copy numbers 8. Discussion

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