Molecular biological and physiological investigations on the importance of phage-encoded sialic acid esterases of enterohaemorrhagic Escherichia coli (EHEC)

Enterohämorrhagische Escherichia coli (EHEC) können im Menschen Komplikationen wie hämorrhagische Colitis oder das lebensbedrohliche hämolytisch urämische Syndrom auslösen. Ihre Hauptvirulenzfaktoren sind Shiga Toxine (Stx) und ein Typ-III-Sekretionsystem. Zur Kolonisation des Dickdarms stehen EHEC mit der Darmmikrobiota im Wettbewerb um limitierte Energiequellen wie die Sialinsäure 5-N-Acetylneuraminsäure (Neu5Ac). Für den Neu5Ac-Katabolismus besitzen E. coli die Gene nanA, nanT, nanE, nanK, nagA und nagB. Sialinsäuren kommen endständig an Muzinen des Mukus im Dickdarm vor. E. coli bilden keine Sialidasen, die zur Freisetzung von Neu5Ac aus Muzin nötig sind. Jedoch kann gebundenes Neu5Ac durch Sialidasen von anaeroben Bakterien im Darm abgespalten werden und sind dann verfügbar. Viele E. coli Stämme exprimieren das nanCMS Operon. NanC ist ein Porinprotein, NanM ist eine Mutarotase und NanS ist eine O-Acetyl Esterase. NanS konvertiert 5-N-Acetyl-9-O-Acetylneuraminsäure (Neu5,9Ac2) und Neu5,8Ac2 zu Neu5Ac und ist maßgeblich an der Energiegewinnung aus diesen Substraten beteiligt. In Prophagen von EHEC und anderer pathogener E. coli kommen multiple nanS-homologe offene Leserahmen vor, die in dieser Arbeit als nanS-p (p = Phage) deklariert wurden. In dieser Dissertation sollte die Frage geklärt werden, warum EHEC multiple nanS-p Gene besitzen und ob die entsprechenden Proteine zur Energiegewinnung und zu einem Wettbewerbsvorteil für EHEC Bakterien beitragen. Außerdem sollte die Beteiligung der Sialidase BTSA von Bacteroides thetaiotaomicron an der NanS-p abhängigen Verwertung von Muzin untersucht werden. Für die Analysen wurde der pathogene E. coli O157:H7 Stamm EDL933 sowie die pathogenen O104:H4 Stämme LB226692 und C227-11phicu (Variante von C227-11, die keinen stx-Prophagen besitzt) und die apathogenen Stämme AMC 198 (nanS+, nanS-p-) und C600deltananS (nanS-, nanS-p-) verwendet. Die Chromo-somensequenzen von EDL933 und LB226692 wurden in silico analysiert. NanS-p2 und NanS-p4 aus EDL933 wurden rekombinant hergestellt und das pH- und das Temperaturoptimum, sowie potenzielle Substrate analysiert. nanS/nanS-p Deletionsmutanten von EDL933 und C227-11phicu wurden konstruiert und mit Neu5,9Ac2 oder Muzin kultiviert. Dabei wurden die Verläufe der Wachstumskurven durch Trübungsmessung oder Lebendkeimzahlbestimmung analysiert. In Co-Kultivierungsversuchen wurden dem Medium der Stamm AMC 198 und/oder BTSA und/oder NanS-p zugesetzt. Das Chromosom von EDL933 enthält das chromosomale nanS und sieben nanS-p Gene, während in LB226692 kein nanS, aber fünf nanS-p Gene vorkommen. Es konnte bestätigt werden, dass alle nanS-p Gene in der spät regulierten Region von Prophagen lokalisiert sind. Die putativen NanS-p Proteine tragen die Domänen 303, die für die Esterasefunktion in NanS bekannt ist, und die unbekannte Domäne 1737. Die untersuchten rekombinanten NanS-p Proteine de-O-acetylierten die Substrate Neu5,9Ac2 und Rinderspeicheldrüsenmuzin und zeigten ein Temperatur- und pH-Optimum von 40-50 °C bzw. 7-9. Die Generationszeiten der Deletionsmutanten stiegen mit der Anzahl der deletierten nanS-p Gene im Chromosom und somit konnte ein Gen-Dosis-Effekt nachgewiesen werden. Durch extrazelluläre Supplementierung mit NanS-p konnte die ursprüngliche Wachstumskinetik des Wildtyps wiederhergestellt werden. Die einzelne Deletion von nanS im EDL933 Chromosom (EDL933deltananS) änderte die Wachstumskinetik des Stammes mit Neu5,9Ac2 nicht. NanS ist für eine Vermehrung von EDL933 mit Neu5,9Ac2 also nicht notwendig. C600deltananS, konnte Neu5,9Ac2, wie erwartet, nicht katabolisieren. Den ursprünglichen Verlauf der Wachstumskurven einer C600 Kultivierung zeigte C600deltananS jedoch durch NanS-p Zusatz im Medium. In einem Co-Kultivierungsexperiment stieg die Lebendkeimzahl von C227-11phicu an, während sich AMC 198 kaum vermehrte. Erst nachdem alle nanS-p Gene im C227-11phicu Chromosom deletiert waren, stieg die Lebendkeimzahl von AMC 198. In Muzin-haltigem Medium mit BTSA als Zusatz, konnte sich EDL933 und EDL933deltananS, nicht aber EDL933deltananSdeltananS-p1a-p7, vermehren. Dies zeigte, dass die Kombination aus BTSA und NanS-p das Wachstum von EDL933 in einer Muzinhaltigen Umgebung unterstützt. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigten zum ersten Mal die wichtige Bedeutung der Prophagen-kodierten O-Acetyl Esterasen für EHEC Bakterien und sind eine hervorragende Basis für weitere Arbeiten, die zu einem tieferen wissenschaftlichen Verständnis des Sialinsäurekatabolismus in EHEC und anderen pathogenen E. coli beitragen können. Sie identifizieren Sialinsäuren als Substrate einer potenzielle Nährstoffnische im Darm und eröffnen ein mögliches Ziel für therapeutische Ansätze.Enterohemorrhagic Escherichia coli (EHEC) are responsible for severe disease in humans such as hemorrhagic colitis or the life-threatening hemolytic uremic syndrome. The main virulence factors are Shiga toxins (Stx) and a type-III-secretion system. For colonization of the colon, they have to compete with the intestinal microbiota for limiting substrates such as 5-N-acetyl neuraminic acid (Neu5Ac). For the catabolism of Neu5Ac, E. coli possess the genes nanA, nanT, nanE, nanK, nagA, and nagB. Many sialic acids are terminally bound to mucins of mucus in the colon. E. coli is not able to use bound Neu5Ac, because it cannot express sialidases for cleavage of Neu5Ac from mucin. However, sialic acids can be cleaved by sialidases from anaerobic bacteria in the colon and are then available. Many E. coli strains encode the nanCMS operon. NanC is a porin protein, NanM is a mutarotase and NanS is an O-acetyl esterase. NanS converts 5-N-acetyl-9-O-acetyl neuraminic acid (Neu5,9Ac2) and Neu5,8Ac2 to Neu5Ac and offers a substrate niche. There are multiple prophage-located nanS-homologous open reading frames in the chromosomes of EHEC, that are designated as nanS-p (p = phage) in this study. The question of this thesis was, why EHEC possess multiple nanS-p genes, if their corresponding proteins are used for energy production and for a competition advantage of EHEC. Furthermore, the influence of the sialidase BTSA of Bacteroides thetaiotaomicron on the NanS-p dependent utilization of mucin should be investigated. The strains used in this study were the pathogenic E. coli O157:H7 strain EDL933 as well as the pathogenic O104:H4 strains LB226692 and C227-11phicu (variant of C227-11 cured in its stx-prophage), and the apathogenic E. coli strains AMC 198 (nanS+, nanS-p-) and C600deltananS (nanS-, nanS-p-). The chromosome sequences of EDL933 and LB226692 were analyzed in silico. NanS-p2 and NanS-p4 of EDL933 were expressed recombinantly and the pH- and temperature-optimum as well as potential substrates were investigated. nanS/nanS-p deletion mutants of EDL933 and C227-11phicu were generated and cultivated with Neu5,9Ac2 or mucin. The courses of the growth curves were analyzed by turbidity measurement or determination of the viable cell counts. In co-cultivation experiments the medium was supplemented with the AMC 198 strain and/or BTSA and/or NanS-p. EDL933 possess the chromosomal nanS and seven nanS-p genes, while LB226692 has no nanS, but five nanS-p genes. It was confirmed, that all nanS-p genes are located in the late regulated gene region of the prophages. The putative NanS-p proteins include the domain 303, which is known for its esterase activity in NanS, and the domain of unknown function 1737. The analyzed recombinant NanS-p proteins de-O-acetylated the substrates Neu5,9Ac2 and mucin of bovine submaxillary gland and showed a temperature- and pH-optimum of 40-50 °C and 7-9, respectively. A gene-dose effect was identified because the generation times of the deletion mutant strains increased with the number of deleted nanS-p genes in the chromosomes. After extracellular supplementation with NanS-p, the mutant strains regained the original growth kinetic of the wildtype strain. The mono-deletion of nanS in EDL933 (EDL933deltananS) caused no chances in the growth kinetic of the strain with Neu5,9Ac2. Therefore, NanS is not necessary for growth of EDL933 on Neu5,9Ac2. C600deltananS could not catabolize Neu5,9Ac2, as expected. The original course of the growth curve of a C600 cultivation was recuperated by C600deltananS if NanS-p was added to the medium. In a co-cultivation the viable cell count of C227-11phicu increased, while AMC 198 increased hardly. Only after deletion of all nanS-p genes in C227-11phicu, the viable cell count of AMC 198 increased. In a mucin-containing medium with BTSA as supplement EDL933 and EDL933deltananS could grow in contrast to EDL933deltananSdeltananS-p1a-p7. This shows, that the combination of BTSA and NanS-p supports the growth of EDL933 in a mucin-containing environment. The results of this work showed for the first time the importance of prophage-encoded O-acetyl esterases for EHEC bacteria and are an excellent basis for further work that contribute to a profound scientific understanding of the sialic acid catabolism in EHEC and other pathogenic E. coli. They identify sialic acids as substrates of a potential nutrient niche in the gut and establish a potential location for therapeutic approaches