Untersuchungen zur Funktion und Bedeutung der O-Acetyl-Neuraminsäure-Esterase 933Wp42 und homologen Proteinen für Wachstum und Virulenz von enterohämorrhagischen Escherichia coli (EHEC)

(FKZ: SCHM 1360 / 6-1, Laufzeit: 01.07.2015- 30.06.2018)

Enterohämorrhagische Escherichia coli (EHEC) sind humanpathogene Bakterien, die hauptsächlich durch kontaminierte Lebensmittel übertragen werden und zu Durchfallerkrankungen und in der Folge zu dem hämolytisch-urämischen Syndrom (HUS) führen können. In ihrem Genom tragen sie multiple Prophagen, die zusätzliche Gene zum E. coli Kerngenom beherbergen.

Solche Gene kodieren häufig für Virulenzfaktoren, wie z.B. die Shiga Toxin Gene (stx), aber auch weitere bis heute weniger untersuchte Gene, z.B. nanS-p. NanS-p1 ist, wie das chromosomal kodierte NanS, eine O-Acetylesterase, die eine De-O-Acetylierung von 5-N-Acetyl-9-O-Acetylneuraminsäure (Neu5,9Ac2) zu 5-N-Acetyl-Neuraminsäure (Neu5Ac) katalysiert. Neu5,9Ac2 und Neu5Ac sind Sialinsäurederivate, die unter anderem in verschiedenen Glykoproteinen, wie dem Muzin, vorkommen. In Muzin sind sie endständig glykosidisch gebunden und schützen das Muzin vor mikrobiellem Abbau.

Im Rahmen der vorgestellten Arbeiten sollte die Bedeutung multipler nanS-p Gene in EHEC Bakterien zur Bereitstellung von Wachstumsubstrat untersucht werden. Dabei war von Interesse, ob die EHEC Bakterien durch die nanS-p Gene und ihre korrespondierenden Proteine einen kompetitiven Wachstumsvorteil haben und ob Sialidasen dabei synergistisch wirken können. Weiterhin sollte geklärt werden ob eine Assoziation der NanS-p Proteine mit den korrespondierenden Phagen vorliegt. Verschiedene NanS-p Proteine wurden charakterisiert.

Dabei konnten wir zeigen, dass die untersuchten NanS-p Proteine unterschiedliche enzymatische Charakteristika besitzen und Rinderspeicheldrüsenmuzin, Neu5,9Ac2, weitere einfach, zweifach und dreifach O-acetylierte Sialinsäuren, sowie einfach, zweifach und dreifach O-acetylierte Glycolyl-Neuraminsäuren als Substrate umgesetzt werden konnten. Diese Substrate kommen im menschliche und/ oder tierischem Intestinaltrakt vor. In Interaktion mit einem kommensalen E. coli Stamm konnten sich die EHEC Bakterien aufgrund ihrer nanS-p Ausstattung auf mit Neu5,9Ac2 als einziger C-Quelle durchsetzen.

Weiterhin konnten EHEC Bakterien durch Interaktion von NanS-p und einer Sialidase des kommensalen Spezies Bacteroides thetaiotaomicron profitieren und ein synergistischer Effekt für das Wachstum konnte nachgewiesen werden. Mit unseren Analysen konnten wir erstmals zeigen, dass EHEC eine multiple Anzahl an nanS-p Genen benötigt um effektiv auf den entsprechenden Substraten wachsen zu können. Es war jedoch nicht möglich eine Assoziation von NanS-p mit dem Stx2-Phagen 933W nachzuweisen, jedoch konnten wir mittels fluoreszenzmikroskopischer Aufnahmen zeigen, dass NanS-p nach Phageninduktion exprimiert wird.

Die Ergebnisse dieser Forschung liefern neue Erkenntnisse im Sialinsäurekatabolismus von EHEC Bakterien. Sie geben ein Indiz dafür, dass Sialinsäuren bei der EHEC-Infektion eine bedeutende Rolle spielen, da sie selbst als Substrat dienen und durch deren Abspaltung vom Muzin ein weiterer Zugang zu anderen Muzin-assoziierten Substraten möglich ist. Durch die Degradierung von Muzin ist möglicherweise auch ein Zugang zu den Darmepithelzellen möglich. Mit der Ausstattung an verschiedenster nanS-p/nanS EHEC-Deletionsmutanten können zukünftigen in vivo Versuchen gestaltet werden um diese Erkenntnisse weiter zu vertiefen.


Publikationen im Rahmen des Projekts

Saile, N.; Voigt, A.; Kessler, S.; Stressler, T.; Klumpp, J.; Fischer, L.; Schmidt, H. 2016. Escherichia coli O157:H7 strain EDL933 harbors multiple functional prophage-associated genes necessary for the utilization of 5-N-acetyl-9-O-acetyl neuraminic acid as a growth substrate. Appl Environ Microbiol 82(19):5940-5950.

Saile, N.; Schwarz, L.; Eißenberger, K.; Klumpp, J.; Fricke, F.W., Schmidt, H. 2018. Growth advantage of Escherichia coli O104:H4 strains on 5-N-acetyl-9-O-acetyl neuraminic acid as a carbon source is dependent on heterogeneous phage-borne NanS-p esterases. Int J Med Microbiol 308(4): 459-468.

Feuerbaum, S.; Saile, N.; Pohlentz, G.; Müthing, J.; Schmidt, H. 2018. De-O-Acetylation of mucin-derived sialic acids by recombinant NanS-p esterases of Escherichia coli O157:H7
strain EDL933. Int J Med Microbiol 308(8):1113-1120.