KONZEPTE MIKROBIOLOGIE II FS 2010 - VEBIS
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Konzepte Mikrobiologie II FS 2010 Vorhold 20.4.10: Pflanzen Phatogene Einführung Die Phatogenen Bakterien, Pilze, Viren und Nematoden gelangen in die Pflanze durch deren Wunde, durch deren Stomata oder durch Penetration. Diese Eindringen in die Pflanzenzelle löst eine Immunantwort aus. Das Type III Sekretions- System –T3SS Im laufe der Evolution haben sich die Pflanzen und deren Pathogene zusammen angepasst. Dies führte zu einer Komplexen Immunreaktion der Pflanzen auf die sehr spezialisierten Bakterien. Die Pflanzen haben verschiedene Immun antworten entwickelt: • Hypersensitive Response: lokaler Zell Tot → Bakterien verhungern und gehen durch die Oxidative Umwelt ein. • Basal Defense: Die Pflanze erkennt PAMP (Pathogen-assoziated-molekular- Patterns = LPS, Flagelin, EF-Tu…) auf der Oberfläche und verhindert das Eindringen. Wird auch PTI (PAMP-tiggert-Immunity) genant. • Effector-Tiggert-Immunity/Gene specific Defense: Plat Resistant Proteine erkennen Type III Effektor Proteine die das Bakterium mit dem Type III sekretions- System in die Pflanze gebracht hat. Das T3SS besteht aus dem Hrp Pilus und dem Translocon. Die Effektor Proteine werden von Chaperonen an den Hrp gebracht und durch queren durch diesen Pilus die innere und die äussere Zellwand der Bakterien sowie die Pflanzliche Zellwand. Dann durchqueren sie die PM der Pflanzen durch den Translocon. In der Pflanzenzelle blockieren sie die PTI der Pflanze. Agrobacterium tumefaciens Diese Bakterium besitzt ein Plasmid mit vir Genen und mit einer T-DNA. Letzteres wird in das Wirtsgenom eingebaut und löst dort die erhöhte Produktion von Auxin und Cytochin aus, sowie die Bildung von Opines. Die T-DNA rechts und links ist von Repeats begrenzt. Damit 1/12
die T-DNA Gene nicht im Bakterium exprimiert werden haben sie eukariotische regulations- Sequenzen. Die Vir Gene werden angeschaltet wenn das Bakterium bei einer Pflanze angelangt ist, ihre Produkte transverieren die T-DNA dann in diese Pflanze. Das VirA ist der Sensor, es Phosphoryliert und Aktiviert somit VirG. VirG reguliert die Expression der Vir Gene, indem es diese aktiviert wenn es in der Zelle akkumuliert. VirG akkumuliert nur in der Bakterienzelle wenn Chve an VirA bindet und es viel Zucker sowie einen tiefen pH im Periplasma hat. Chve & Zucker & pH↓ → VirA → VirG-P → Vir Expression Agrobakterium wird im Labor verwendet um transgene Pflanzen zu machen. Hierzu werden die gewünschten Gene zwischen die Border gelegt (mit einem Marker) und in E.coli geklont. Durch conjugation gelangt dann das Plasmid mit dem Gen in ein Agrobakterium. Diese Enthält ein Ti plamid, welches nur die vir Gene enthält nicht aber eine T-DNA Region. Das transformierte Agrobakterium wird auf die Pflanzenzelle gegeben. Dann muss man die Infizierten Pflanzenzellen selektionieren und dann kann man eine Pflanze regenerieren. 18.05.10: Sporulation Bakterien bilden Sporen wenn die Zelldichte sehr hoch ist und die Nahrung knapp wird. Das Schlüsselmolekül der Sporulation Initaiation ist Spo0A. Spo0A kann aktivert werden wenn GTP von CodY dissoziert (das geschieht wenn aufgrund von Nahrungsmangel die GTP Konzentration in der Zelle sinkt) und wenn gleichzeitig oligonucleotide Phr aktivieren, welches den Inhibitor Rap inaktivert. Sind diese beiden Bedingungen gegeben so Phosphorylieren Kinasen Spo0F was zur Aktivierung von Spo0A führt. Spo0A fahrt die Expression der normalen Gene nach unten und fördert die Expression von Sporulations Genen. Spo0A und σH verursachen eine Asymmetrische Zellteilung. Während dieser Zellteilung gibt es eine kurze Zeit in der die grosse Mutterzelle ihr ganzes Genom enthält und noch zusätzlich die Hälfte der Tochter DNA. Dadurch kommt es zu einer ungleichmässigen Expression des unstabilen SpoIIAB. In der Mutter ist die Konzentration von SpoIIAB sehr hoch, dies führt dazu dass σF inaktiv bleibt. In der Tochterzelle ist die SpoIIAB Konzentration viel tiefer, dadurch kann SpoIIAB SpoIIAA nicht phosphorylieren. Dies führt dazu, dass es einen ApoIIAB-SpoIIAA Komplex gibt und σF aktiviert wird. 2/12
Während der Asymmetrischen Zellteilung bildet sich die Septal Membran. An dieser wird SpoIIE aktiviert- aber nur in der Sporenzelle. Dieser phosphoryliert SpoIIAA und verstärkt so die Bildung des ApoIIAB-SpoIIAA Komplexes und somit die σF Aktivierung. σF ist nur in der Sporenzelle. Dort initiiert es den Abbau von σE, so dass es in der Sporenzelle kein σE hat. Gleichzeitig aktiviert es die Aktivierung von σE in der Mutterzelle. In der Mutterzelle löst σE das „Engulfment“ der Spore aus, die Bildung des Sporen Kortexes und die Transkription von σK. Die Mutterzelle hat also die Sporenzelle in sich aufgenommen. Nun steigt die σ K Konzentration in der Mutter an, und die σ G Konzentration in der Sporenzelle. Beide Sigma Faktoren führen in ihrem Kompartiment zur Reifung der Sporenzelle. Wenn die Spore fertig ist macht die Mutter Apoptose. 25.05.10: Caulobacter/Myxococcus Schwarm und Stängel Zellen in Caulobacter Es gibt zwei Arten von Caulobacter Zellen. Mobile Zellen die sich nicht teilen, aber sesshaft werden können und Festsitzende Zellen die sich jeweils in eine sesshafte und eine mobile Zelle teilen. Wie schon erwähnt gehen aus jeder Zellteilung zwei differenzierte Zellen hervor. Das heisst, dass die Differenzierung während der Zellteilung geschieht und somit Proteine synthetisiert werden parallel zur Replikation. Die Kopplung von Zellteilung und Differentiation beruht auf einer gemeinsamen Regulation. In der Stielzelle ist der CtrA Regulator präsent und aktiv. Wird die Stielzelle Sesshaft so wird im Stiel eine Phosphatase aktiv die den CtrA Regulator abbaut. Während der S-Phase wird der schwache Promotor des CtrA aktiviert und es kommt zu einer CtrA Expression. CtrA inhibiert darauf hin diesen schwachen Pormotor und aktiviert einen starken Promotor. Durch den positiven Feedback Loop kommt es zu einem Starken anstieg von CtrA in der Zelle. Während der späten S-Phase sind verschiedene Histidin Kinasen in der Lage CtrA zu phosphorylieren → CtrA ist aktiviert und unterdrückt die Expression verschiedener Gene (aktivation vor allem für Flagellum und so). 3/12
In der G2-Phase nach der Septum Bildung wird die Phosphatase im Stiel, des sesshaften teil wieder aktiv. Dort wird CtrA abgebaut und somit werden dort genau die anderen Gene Exprimiert. Die CtrA Expression, Phosphorylation und Degradation korreliert nicht nur mit den Zellzyklus Phasen wie oben beschrieben. Sonder, er ist auch wesentlich an derer Entstehung und Regulation beteiligt. Fruchtkörper Bildung in Myxobacteria In guter Umgebung germinieren die Myxosporen und es entstehen vegetative Myxobakterien Zellen, die wachsen sich teilen und herum wimmeln. Das Wimmeln der Zellen beruht auf zwei Motoren, dem ziehenden S-Motor „forne“ und dem stossenden und schlemmenden A- Motor „hinten“. (Die Polarität der Zellen kann sich in Sekunden ändern und die Zelle schleimmt Rückwärts.) Werden die Bedingungen Schlechter, so beginnt die Zelle das A-Signal aus zu scheinen. Sind die Zellen in einer hohen Dichte bei einander, so akkumuliert sich das A-Signal im extrazellulären Raum und es bindet an die Kinase Rezepoten der Zelle. Diese Bindung führt zur Aktivierung eines σ-Faktors in den Zellen und dieser initiiert die Expression der C-Signal Gene. Diese Gene führen dazu dass die Zellen aggregiern und sporuliern. Sporuliern Myxobacteria Zellen so ist das ganz anders als bei Bacillus. Bei Bascillus teilt sich die Mutterzelle asymmetrisch uns Stirbt ab. Bei Myxobacteria differenzieren die Zellen vollständig ohne eine Teilung zu durchlaufen. 4/12
Hennekcke 23.3.10: Globale kontrolle des Energie Metabolismus Metabolismus E.coli hat drei verschiedene Methoden Glukose abzubauen. Aerobe Respiration Anaerobe Respiration Gemischte Fermentation Gesamt Glukose + 6O2 → Glukose + HNO3 → 2 Acetat + 2 Glukose → 1 Acetat + 1 Reaktion 6CO2 + 12 H2O CO2 + NH3 Ethanol + 1 Formiat Freie -2800 800 200 Energie Hierarchie 1. Priorität 2.Priorität 3.Priorität Donor Substrat → dehydrogenase → Quinon Pool → reductaseReaktionen Glukose → Pyruvat Glukose → Phosphoenolpyruvat Glukose → → Acetyl-coA → … → Oxalacetat → Malat → Phosphoenolpyruvat → Succinat → Fumerat Fumerat → Succinate & e → Pyruvate → Laktat & & e → SDH → Quionol → Nitirte Reductase Acetyl-coA & Formate → Quinol → Oxidasen (Nirit ammonifikation) oder Acetate & Ethanol (eine für aerob und Nitrate reductase oder eine für mikro- aerob) DMSO:TMNO reductase →Acceptor Terminaler O2 Fumerate Non Elektronen NO3- Akzeptor NO22- DMSO / TMNO Regulation des Metabolismus Damit die Zelle nicht unnötig Energie verschwendet, werden nicht alle Proteine für alle Metabolismus Wege Synthetisiert. Damit aber die richtigen Gene zur richtigen Zeit exprimiert werden, sind verschiedene Transkriptions- Regulatoren an der Wahrnehmung von Sauerstoff, Nitirat und Format beteiligt. • Arc (aerobic respiratory control): Wenn es kein Sauerstoff mehr in der Zelle hat, ist Quinon passiv und so wird ArcB aktiviert. ArcB phosphoryliert und aktiviert somit ArcA. 5/12
ArcA inhibiert die Expression von Genen für den aeroben Metabolismus und aktiviert Gene für den anaeroben Metabolismus. → indirektes Sauerstoff sensing • Fnr: FNR wir durch Sauerstoff direkt inaktiviert, indem es zur Auflösung von den 4Fe-4S Gruppen beiträgt. Hat es kein Sauerstoff in der Zelle so wird FNR aktiv. Diese aktiviert Gene die wichtig sind bei der anaeroben Atmung sowie Gene für die Fermentation. Fnr aktiviert gleichzeitig das Nitrate redukaktase Operone und das Fumarat reduktase Operon→ direktes Sauerstoff sensing • narXL: Wenn Nitrate in der Zelle ist, so aktiviert es NarL. Dieses aktiviert das Operon für die Nitrate Reduktase und inhibiert zur gleichen zeit das Operon für die Fumerat Reduktase. • FhlA: Wenn Fumerat in der Zelle ist so wir FhlA aktiv. Dieser Transkriptions- Faktor aktiviert unter anderem der fdhF Operon und es kommt zur Expression des Format dehydrogenase Komplexes. 30.3.10: Assimilation von Nahrungsmitteln Element S (Schwefel) P (Phosphat) Fe (Eisen) N (Stickstoff) bevorzugte SO42- Pi (anorganisch) Fe2+ NH3 Form Enzyme ATP Surfurylase Periplasmische Siderophor Nitrat Reduktase Phophatase APS Reductase ATPase ABC Nitrit Reduktase Transporter Sulfit Reductase Glutamin Synthethase Serin Glutamat Dehydrogenase transacetylase O-Acetylserine Glutamat synthase sulfhydrylase (GPGAT) Amniotrasnverase Amidotransverase Wo braucht es Cystein RNA, DNA, ATP, Siderohore Aminosäuren. Pyrimidin, die Zelle GTP… Heme… Purin Basen… Schwefel Assimilation Sulfat (SO42-) wird durch ein Transport System in die Zelle Aufgenommen. Dann wird das Sulfat aktiviert durch die ATP sulfurylse. Das Adensosin-Phosohosulat- APS- wird anschliessend durch die APS Reduktase Reduziert. Dabei entstehen ein AMP und das Sulfit. Der Elektronen Donor für die APS Reduktase ist das Thioredoxin, das Thioredoxin hat die Elektronen indirekt vom NADPH über das FADH 2. Anschliessend wird das Sulfit durch die Sulfite Reduktase reduziert. Die Sulfite Reduktase hat die Elekronen genau wie die Nitrit Reduktase vom Siroheme. Jetzt wird der Schwefel in Cystein eingebaut- Primäres S- 6/12
Assimilation Produkt in der Zelle. Die Cystein Bildung braucht zwei Enzyme: Serine trasnacetylase und O-Acetylserine Sulfhydrylase. Phosphat Assimilation Anorganisches Phosphat gelangt direkt in die Zelle. Organische Phosphat Ester werden in das Periplasma aufgenommen und dort von der Periplasmischen Phosphatase in ein Anorganisches Phosphat gespalten. Das Phosphat wird dann für de APT Synthese benutz – Substrat level phosphorylation oder Oxidative phosphorylation. Eisen Aufnahme Die Zelle sekretiert Siderophor. Dieses bindet im extrazellulären Raum Fe (III) und bindet and den spezifischen Rezeptor. Durch die innere PM wird der Komplex durch einen ABC- Transporter transportiert. Stickstoff Assimilation NH4+ und Nitrat (NO3-) werden in die Zelle Transportiert. Das Nitrat wird durch die Nitrat Reductase und die Nitrit Reduktase in Ammonium reduziert. In der ersten Reaktion liefert Mo-pterin die Elektronen in der zweiten das Siroheme. Die Verarbeitung des Ammoniums kann durch zwei Wege einschlagen: der Glutamin Synthetase Weg oder der Glutamat dehydrogenase Weg. Bei hohen Ammonium Konzentrationen wird das Ammonium durch die Glutamat dehydroganse in der Zelle Assimiliert. Das so entstandene Glutamat wird durch die Aminotransferase verarbeitet, dabei entstehen die NH2 Gruppen von Aminosäuren. Bei tiefer Ammonium Konzentration wird es durch die Glutamin Synthetase Assimiliert. Vom Glutamin aus kann der Stickstoff auch auf Aminosäuren gelangen durch die Glutamat Synthase (GOGAT) oder aber der Stickstoff geht in die Purin und Pyrimidin Basen durch die Amidotransferase. Globale Kontrolle des Stickstoff Metabolismus Die Glutamin Synthease ist immer ein wenig Aktiv aber bei hoher Ammonium Konzentration ist sie kaum aktiv und bei tiefer Ammonium Konzentration stark. Dieser 7/12
Mechanismus erfordert Regulation! Das Enzym wird auf zwei Ebenen Reguliert Genetisch und die Aktivität des Enzyms. Gemessen wird in der Zelle das Glutamin / α-Ketogluterat Verhältnis. Ist dieses Tief so wird die UTase aktiv. Diese macht, dass die ATase die Reaktion katalysiert, welche das Enzym aktiviert- es deadenylyliert. (Die ATase ist auch in der Lage, die Gegenreaktion zu katalysieren, dann werden alle Reachtionstaschen des Enzyms mit Adenylyl..?.. besetzt). Bei tiefem Glutamin / α-Ketogluterat wird an das PII ein UMP angehängt. Dadurch ist das PII nicht mehr in der Lage mit dem NtrB einen Komplex einzugehen. Das NtrB ist somit aktiv und phosphoryliert NtrC. NtrC-P blockiert die normalen Promotoren für die Gene der Glutamin Synthease so das, dass σ70 nicht mehr binden kann. Gleichzeitig bindet NtrC-P aber mit dem Holoenzym σ54 an den staken Promotor → starke Expression von Glutamin Synthease. 13.4.10: Pflanzen Symbiose Nodul Bildung Die Pflanzen sekretieren konstant Flavonoide in die Rhizosphäre. Diese Sekretion wird als der Erste schritt der Kommunikation von Rhizobia und Pflanze betrachtet. Einige Rhizobia reagieren auf das Flavonoid Gemisch und bewegen sich durch Chemotaxix zur Pflanze hin, dabei werden die nod Gene durch die Falvonoide induziert. Die nod Gene kodieren für Enzyme, die spezielle Lipooligosaccaride synthetisieren –Nod Faktoren. Die Nod Faktoen werden vom Bakterium ausgeschieden und binden an die LysM- Rezeptor-Like Kinasen der Pflanze. Die dadurch aktivierte Siganl Kaskade führt zur Infektionsschlauch Bildung und zur Krümmung der Wurzelhaare. Im Subkortex der Pflanze kommt es zu einer massiven Zellteilung. Die Rhizobia wandern daraufhin in den Infektionsschlauch hinein und unterdrücken dabei die Immunantwort der pflanze. Wenn die Rhizobia die Pflanzen infiziert haben bildet diese eine peri-bacterioid Membran und das Leghemoglobin aus. In den Wurzelknöllchen beginnen die Rhizobia Stickstoff zu fixieren. Bacterioid Respiration und Stickstofffixierung 8/12
Die Wurzelknöllchen Bakterien Fixieren Gasförmiger Stickstoff zu Ammonium. Das hierzu verwendete Enzym- Nitrogenase- wird von Sauerstoff inhibiert. Deshalb hat es im Bacterioid kaum freien Sauerstoff. Der Sauerstoff kann nicht in das Nodul diffundieren da es eine O2- Diffusions Barriere hat. Gleichzeitig braucht die Nitrogenase aber so viel ATP, dass das Bakterium das Malat das es von der Pflanze bekommt nur Aerob veratmen kann. Den Sauerstoff für die Aerobe Atmung bekommt das Bakterium vom Leghämoglobin, welches im Cyosol der Pfalnze ist. Der Wenige Sauerstoff der durch die Barriere kommt, wird durch das Leghämoglobin gebunden, dadurch hat es keinen freien Sauerstoff der die Nitrogenase inhibiert aber es ist Sauerstoff vorhanden für die terminale Oxidase. Damit diese sysem funktioniert braucht das Leghämoglobin eine sehr hohe O2- Affinität, und die Terminale Oxidase eine noch höhere! Deshalb verwendet das Bakterium während der Symbiose ein spezielle Oxidase- cbb3-Type Terminale Oxidase. Die Expression der cbb3-Type Terminale Oxidase und der Gene für die Stickstofffixierung sind koordiniert. Beide Reagieren auf tiefen O2 in der Zelle. Denn nur dann werden sie benötigt. Sinkt erden der Noulation der O2 Gehalt auf >5% so wird die Oxidase Exprimiert (FixL & O2↓ → FixJ-P → FixK2 Expression → Expression von cbb3 oxidase / RpoN1 (→ fixR & nifA Expression)), sind der O2 Gehalt weiter auf >0.5% so beginnt die Nitrigenase Synthese (RegS → RegR-P → Expression von fixR & nifA → NifA & O 2↓ → Expression von Genen für Stockstoff Fixierung) und die Stickstofffixierung. Hard 27.04.10: Virulenz Mechanismen I Das Konzept: Virulenz Faktoren sind Gene, die für Faktoren kodieren, die in Pathogenen Strains vorkommen nicht aber in nicht Pathogenen. Wenn diese Gene gestört werden so sind diese Linien weniger Virulent. Virulente Linien können entstehen wenn solche Gene aufgenommen werden. Es gibt drei arten von Firulenzfaktoren Offensiv, defensive und nicht spezifisch. Pathogene Bakterien können viele verschiedene Virulenzfaktoren haben aber manchmal genügt ein einziger um z.B. ein E.coli invasiv zu machen. Nicht Spezifische Virulenz Faktoren Sind Genprodukt die es möglich machen Nahrung in den Wirtzzellen aufzunehmen. Sie kodieren deshalb oft für Extrazelluläre Enzyme. Ein wichtige Eigenschaft ist die Fähigkeit Eisen aufzunehmen. So ist z.B. S.aureus in der Lage Hämoglobin als Eisen-Lieferant 9/12
aufzunehmen. Oder C.jejuni kann AS als C-Quelle benutzen und braucht dafür keine Maschinerie für die Glukolyse. Abwehr Virulenz Faktoren Sind Virulenz Faktoren die es Ermöglichen die Endolysine und Lysosome zu überleben oder die Immunantwort des Wirtes zu inhibieren. S.typhimurium sekretiert z.B. Superoxid dismutasen/catalysen und inaktiviert so ROS. Andere Mikroorg. sekretieren Proteasen die die Antikörper abbauen. Viele Pathogene sekretieren als Schutz eine Kapsel oder eine Mucous Schicht aus negativ geladenen Polysaccariden. So inhibieren sie die Phagozytose und LPS Erkennung durch die Antikörper. Eine ähnliche Strategie ist Serum Resistance. Serum Resistance bezeichnet die Modifikation von LPS so dass Membran Attacking Complexses keinen Schaden mehr anrichten können. Bakterieielle Toxine Es gibt vier Arten von Toxischen Proteinen: Enzm. Membran Rezeptor Poren bildend AB-Toxine Abbau bindend Mechanismus Werden von der B Untereinheit Superantigene Wirtzzelle verursacht Aktiveren T aktiviert wenn sie translocation in Zellen und lösen in der PM sind Wirtszelle und A so Toxic Schock und hat eine Funktion aus → Polymerisieren Überreaktion des dann zur Pore Immunsystems Organismus S.aureus, E.coil Vibirio cholera, S.aureus (EHEC), Listeria, Shigella, EHEC… Clostirdium… 04.05.10: Virulenz Mechanismen II Adhesine Die Adesine werden auf zwei Arten Merkmal Struktur Bildung Klassifiziert: Klassen: Fimbrial Type I Fimbrien Non-Fimbiral Type IV Fimbrien Polysaccaride Extrazellulär Biofilm Bildung Invasions-Adhesine Klassifizierung aufgrund des „Assembly“ Type I Type IV Extrazellulär Sekretions- Chaerone /Usher General Sec System pathway Pilus ist Àussere Membran Innere Keine 10/12
verankert Membran verankerung Fimbrin FimA PilA CsgA Sec Ja Ja Ja dependent Die Biosynthese geschieht nach dem Donor strand complemaentation Prinzip: der N-Terminus vervollständigt den Ig-Fold der Nachbaruntereinheit. Adesine sind offensive Virulenz Faktoren. Das heisst besitzt ein Bakterium die Gene für Adesine und exprimiert es diese auch, so kann es ein Pathogen sein. Die Adehsine ermöglichen es den Bakterien sich an die Wirtszelle anzuhaften, dadurch können sie • Mikrokolonien und Biofilme bilden, • sie sind in der Lage ihre Antigen zu ändern, • sie können an die ECM binden und diese Abbauen, • sie könne an die Wirtsrezeptoren binden und so eine Reaktion auslösen • und sie können Toxine gegen die Wirtstelle anwenden. Invasion (Trigger Mechanismus) Invasive Pathogene gelangen in die Wirtszelle indem sie, sie dazu bewegen sie Endozytotisch aufzunehmen. Es gibt zwei Mechanismen wie die Pathogene es anstellen, dass sich das Cytoskelett der Zellen neu arrangiert und sie den Fremdkörper aufnehmen. Beim Zipper Mechanismus bindet die Bakterienzelle an Rezeptoren indem sie Mimikry machen und löst so in der Wirtszelle Kaskaden aus die zur Endozytose führen. Beim Tigger Mechanismus werden Effektoren mit dem Type III Sekretions- System hinein gespritzt. Auch diese Effektoren machen Molekulares Mimikry (Für GTPasen) und lösen so die Endozytose aus. Die erste Intrazelluläre Station der Bakterien sine die Endosome. Pathogene sind in der Lage resistent zu sein gegen diesen Abbau oder sie machen die Endolysom Membran kaputt. Letztere leben und wachsen frei im Cytoplasma der Eukatyotischen Zellen, dieses Wachstum lässt sich inhibieren durch Kinase Inhibitoren → neue Antibiotika. 11/12
The End 12/12
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