Der Abbau des essentiellen Penicillin-Bindeproteins 2x in S. pneumoniae durch die Serinprotease HtrA

Im Fokus dieser Arbeit stand der Abbau des essentiellen Zellteilungsproteins PBP2x aus S. pneumoniae durch die Serinprotease HtrA. Die PBP2x-Molekülmenge des Wildtypsatmms R6 wurde mit Hilfe einer quantitativen Methode ermittelt und ergab einen Wert von ca. 20.000 Molekülen. Für den Laborstamm C405, der unter anderem die zwei AS-Austausche L403F und T526S innerhalb der Transpep-tidase-Domäne von PBP2x beinhaltet, konnte eine 6,3fach geringere Menge im Vergleich zum Wildtypstamm R6 nachgewiesen werden. Der Laborstamm C606, der vier AS-Austausche in der Transpep-tidase-Domäne von PBP2x aufweist, besitzt sogar eine noch geringere PBP2x-Menge und ist gene-tisch instabil. Die geringe Menge des essentiellen PBP2x in den beiden Stämmen C405 und C606 konnte jeweils auf die proteolytische Aktivität der Serinprotease HtrA zurückgeführt werden. Die alleinige Auswirkung der PBP2x-Mutationen aus C405 und C606 auf die PBP2x-Menge wurden im definierten genetischen Hintergrund des Wildtypstamms R6 untersucht. Dabei konnte bewiesen werden, dass auch hier schon geringere Mengen an PBP2x vorliegen, die Mutationen also direkt Einfluß auf die Struktur von PBP2x haben und somit durch HtrA abgebaut werden. Diese Mutanten besitzen einen temperatursensitiven Resistenzphänotyp, wobei das Wachstum bei 30 °C zu verlängerten Zellen führte. Innerhalb umfassender Komplementationsstudien wurde die htrA-Expression in unterschiedlichen Stämmen stufenweise erhöht, wobei korrelierend mit den steigenden HtrA-Mengen in den Zellen jeweils stufenweise verringerte PBP2x-Menge erwartet wurden. Die Ergebnisse zeigen eindeutig, dass die Serinprotease HtrA je nach genetischem Hintergrund nur bis zu einem bestimmten Level bzw. überhaupt nicht überexprimiert werden kann. Sobald dieser Level überschritten wird, wehrt sich die Zelle mit gravierenden Mutationen, die sowohl die proteolytische Aktivität, als auch die vollständige Proteinsynthese der Serinprotease HtrA inhibieren. Im Wildtypstamm R6 wurde die Serinprotease HtrA anhand von Temperaturshiftexperimenten als nicht temperatursensitiv nachgewiesen. Dagegen benötigen Stämme mit verändertem PBP2x bei Hitzestress die Serinprotease HtrA, die durch den Abbau von falsch gefalteten Proteinen ein besseres Wachstum ermöglicht. Die Auswirkung der verringerten PBP2x-Menge auf die Lokalisation des veränderten und niederaffinen PBP2x aus C405 wurde mittels Fluoreszenzmikroskopie in verschiedenen genetischen Hinter-gründen untersucht. Das GFP-PBP2xC405-Fusionsprotein wurde hierbei durch die Serinprotease HtrA, je nach genetischem Hintergrund, unterschiedlich stark abgebaut, was wiederum in einem höheren Anteil an zytoplasmatisch leuchtenden Zellen resultiert. Sobald die Serinprotease HtrA in diesen Stämmen fehlte, wurde das Fusionsprotein nicht mehr abgebaut und eine korrekte septale bzw. äquato-riale Lokalisation wurde sichtbar. Demnach befindet sich die geringe PBP2x-Menge immer in der Region, in der sie am dringensten benötigt wird - dem Zellseptum. Das GFP-PBP2x-OT-Fusionsprotein, dem die Transpeptidasedomäne fehlt, wird ebenfalls durch die Serinprotease HtrA abgebaut. Sobald htrA jedoch deletiert wurde, zeigte sich eine septale bzw. äquato-riale Lokalisation des Fusionsproteins. Somit konnte zum ersten Mal eindeutig bewiesen werden, dass ausschließlich die PASTA-Domänen des PBP2x für die Lokalisation dieses essentiellen Enzyms am Zellseptum verantwortlich sind. Die Größen der detektierten Abbauprodukte der GFP-Fusionsproteine gaben zudem Aufschluss über die ungfähre Position zweier Schnittstellen der Serinprotease HtrA, nämlich kurz nach der Transmembrandomäne von PBP2x und am Ende der N-terminalen Domäne. Die Rolle des essentiellen PBP2x aus R6 und C405 bei der Zellteilung wurde anhand von Depletionsexperimenten eingehend untersucht. Dabei zeigte sich, dass sich die kontinuierliche Dezimierung des GFP-PBP2x bzw. GFP-PBP2xC405 in allen drei konditionalen Stämmen negativ auf das Wachstum und die Zellmorphologie auswirkte. Die Stämme waren in der Lage mehrere Generationen in Abwesenheit des Induktors zu wachsen, da sich innerhalb der Zelle noch ausreichend synthetisiertes Fusionsprotein aus der Vorkultur befand, bevor sich ein Wachstumsstopp einstellte. Die Aufreinigung eines proteolytisch aktiven HtrA-Proteins und einer Form mit (S234A) im aktiven Zentrum von HtrA aus S. pneumoniae gelang im Rahmen dieser Arbeit. Die proteolytische Aktivität des HtrA-Proteins konnte anhand von ß-Casein Assays bestätigt werden. Der Abbau des Proteins PBP2xC405 und sogar der PBP2xwt konnten erstmals unter in vitro-Bedingungen als Substrate von HtrA nachgewiesen werden. Die Daten dieser Arbeit bestärkt die Hypothese, dass ungefaltene PBP2x-Proteine durch die Sec-Translokase exportiert und anschließend in die Membran integriert werden. Dabei führt die Serinprotease HtrA die Proteinqualitätskontrolle durch und baut falsch gefaltete Proteine, oder Proteine, die sich nicht im Komplex befinden, ab