Functional characterization of the BvgAS BH two component system of Bordetella holmesii

Zur Gattung Bordetella gehören mehrere zum Teil sehr eng miteinander verwandte Keime, die bislang, mit Ausnahme des Umweltisolats B. petrii, ausschließlich in Assoziation mit einem Wirtsorganismus nachgewiesen werden konnten. Hierzu gehören zum einen die „klassischen“ Arten, deren pathogenes Potential vom obligat humanpathogenen Erreger des Keuchhustens, B. pertussis, dem ebenfalls humanpathogenen Keim B. parapertussis bis hin zu B. bronchiseptica, dem Erreger von Atemwegserkrankungen in verschiedenen Säugetieren, reicht. Zum anderen wurde dieser Gattung mit B. avium, B. hinzii, B. trematum, B. holmesii und B. petrii in den letzten Jahren „neue“ Arten zugeordnet, die zum Teil humanpathogenes, zum Teil tierpathogenes Potential besitzen. Da die evolutionären Beziehungen der „neuen“ Bordetella-Arten innerhalb der Gattung Bordetella bislang noch wenig untersucht wurden, wurde im Rahmen dieser Arbeit die Verbreitung und Konservierung von bekannten Bordetella-Genen und IS-Elementen bei den „neuen“ Bordetella-Arten untersucht. Aufgrund der vermehrten Hinweise auf ein humanpathogenes Potential von B. holmesii und seiner Assoziation mit einem dem Keuchhusten ähnlichen Krankheitsbild wurde der Schwerpunkt dieser Untersuchungen auf die Analyse der phylogenetischen Beziehungen zwischen B. holmesii und dem B. bronchiseptica-Cluster gelegt. Während durch den Nachweis der bei dem B. bronchiseptica-Cluster vorkommenden IS-Elemente IS481 und IS1001 die durch die 16S rDNA-Sequenz ermittelte Position von B. holmesii innerhalb des B. bronchiseptica-Clusters bestätigt werden konnte, ergab eine vergleichende Sequenzanalyse der in der Gattung Bordetella hoch konservierten Proteine OmpA, BvgA und BvgS die interessante Beobachtung, dass dieser Organismus in dieser Hinsicht viel mehr Ähnlichkeiten zu den „neuen“ Bordetella-Arten besitzt und in diesem Zusammenhang phylogenetisch eher im Umfeld von B. avium anzusiedeln ist. Bei der Charakterisierung von vier unterschiedlichen B. holmesii-Blutisolaten wurden im Rahmen dieser Arbeit zwei variante B. holmesii-Stämme identifiziert, die sich hinsichtlich der fehlenden Expression des intakten Response-Regulators BvgABH von wildtypischen B. holmesii-Isolaten unterscheiden. Im weiteren konnte gezeigt werden, dass bei diesen phasenvarianten Stämmen die fehlende Expression auf eine Punktmutation innerhalb der bvgABH-Nukleotidsequenz zurückzuführen ist. Diese wird in beiden Fällen an der selben Nukleotidposition durch die Insertion eines Adenosinrestes hervorgerufen. Obwohl dieser Sequenzabschnitt nicht durch eine repetitive Nukleotidfolge gekennzeichnet ist und somit keinerlei Ähnlichkeiten mit einer für Frameshift-Mutationen anfälligen Stelle besitzt, könnte es sich bei der identifizierten DNA-Region dennoch um einen „hot spot“ für eine Punktmutation handeln, da die zwei varianten B. holmesii-Stämmen unabhängig voneinander aus unterschiedlichen Blutkulturen isoliert wurden. Von besonderer Bedeutung war zudem die Beobachtung, dass sich unter diesen varianten Stämmen auch der bei den Stammsammlungen als Referenzstamm abgelegte B. holmesii-Stamm ATCC51541 befindet. Da im Rahmen dieser Arbeit keinerlei offensichtliche phänotypische Unterschiede zwischen den varianten und den wildtypischen B. holmesii-Stämmen festgestellt werden konnten, bleibt die Bedeutung der Phasenvariation bei B. holmesii bislang noch ungeklärt. Im weiteren wurde mit Hilfe eines „Genome Walks“ die an den bvgABH-Leserahmen angrenzenden DNA-Bereiche für B. holmesii ermittelt. Dabei konnte 5 bp nach dem bvgABH-Stoppcodon ein weiterer Leserahmen (bvgSBH) identifiziert werden, welcher Homologien zu der Histidinkinase BvgS aus B. pertussis besitzt. Interessanterweise stellte sich bei der Sequenzanalyse heraus, dass der Konservierungsgrad des bvgASBH-Locus aus B. holmesii und des bvgAS-Locus aus B. pertussis auf DNA-Ebene sehr gering ist. Diese Beobachtung erklärt wiederum, warum der bvgASBH-Genlocus aus B. holmesii früher nicht durch DNA/DNA- Hybridisierungs-Experimente mit einer B. pertussis spezifischen DNA-Sonde nachgewiesen werden konnte und sein Vorhandensein erst nach dem Einsatz von degenerierten Primern über PCR-Analysen detektiert werden konnte. Im weiteren konnte über den „Genome Walk“ gezeigt werden, dass die an dem bvgAS-Locus angrenzenden DNA-Bereiche innerhalb der Gattung Bordetella nicht konserviert sind. Zum einen ist der bvgASBH-Locus aus B. holmesii nicht wie bei dem B. bronchiseptica-Cluster in 5´-Richtung von dem fhaB-orthologen Genlocus benachbart, da sich an dieser Stelle ein weiterer, potentieller Response-Regulator befindet. Ebenso konnten stromaufwärts von bvgASBH keinerlei Hinweise auf das Vorhandensein eines, dem bvgR-Gen der „klassischen“ Arten orthologen Leserahmens erzielt werden. Über weitere Sequenzanalysen konnte darüber hinaus gezeigt werden, dass der Promotorbereich des bvgASBH-Genlocus überraschenderweise keinerlei offensichtliche Sequenzhomologien zu dem entsprechenden Promotorbereich der bvgAup-Region der „klassischen“ Arten zeigt. Dennoch konnten über in silico-Analysen mehrere Sequenzmotive innerhalb der bvgABHup-Region identifiziert werden, die als „inverted repeat“-Strukturen angeordnet sind und die zum Teil eine hohe Übereinstimmung zu der für die „klassischen“ Bordetella-Arten beschriebene BvgA-Konsensussequenz 5´-T/A T T C C/T T A-3 besitzen. Während sich diese Wiederholungssequenzen hinsichtlich ihrer Symmetrie und ihrer Anordnung von denen innerhalb der für das B. bronchiseptica-Cluster beschriebenen bvgAup-Region unterscheiden, konnten auffällige Parallelen zu der Promotorregion des vag- (virulence activated gene) Gens bvgR festgestellt werden. Obwohl sowohl der Response-Regulator BvgABH aus B. holmesii als auch das BvgA-Protein aus B. pertussis in vitro an die „inverted repeat“ Strukturen der bvgABHup-Region binden kann, führte eine Analyse der GFP-Expression der Reportergenfusion bvgABHup-gfp zu der erstaunlichen Beobachtung, dass die Reportergenfusion in B. pertussis durch die Bindung des BvgA-Proteins reprimiert wird, während sie im Gegensatz dazu in B. holmesii durch die Bindung des BvgABH-Proteins aktiviert wird. Die molekulare Grundlage für diese unterschiedlichen Regulationsmechanismen konnte im Rahmen dieser Arbeit nicht ermittelt werden. Trotz einer umfangreichen Sequenzkonservierung zwischen dem Response-Regulator BvgABH aus B. holmesii und BvgA aus B. pertussis ist das BvgABH-Protein nicht in Lage, die Funktion des BvgA-Proteins aus B. pertussis in vitro bzw. in vivo zu ersetzen. Im Gegensatz dazu konnte mit Hilfe von Komplementationsexperimenten gezeigt werden, dass die Histidinkinase BvgSBH aus B. holmesii in der Lage ist, die Funktion des in dem B. pertussis Stamm 347 mutierten BvgS-Proteins zu übernehmen. Überraschenderweise unterschiedet sich jedoch das BvgSBH-Protein hinsichtlich der Wahrnehmung der Umweltstimuli von BvgS, da die Aktivität der Histidinkinase BvgSBH in dem hybriden B. pertussis Stamm BP 347 (pRK415-bvgASBH ATCC51541) nicht vollständig durch Sulfationen moduliert werden kann. Dies ist möglicherweise darauf zurückzuführen, dass im Gegensatz zu den cytoplasmatischen Regionen die BvgSBH- und BvgS- Sensorproteine vor allem in ihren sensorischen Bereichen einen sehr geringen Konservierungsgrad aufweisen.Members of the genus Bordetella form a group of closely related organisms. With the exception of the environmental isolate B. petrii, Bordetella species were known until now exclusively in close association with host organsims. The three “classical” Bordetella species possess different pathogenic potential, ranging from the strictly human pathogen and etiological agent of whooping cough, B. pertussis and the likewise human pathogen B. parapertussis to B. bronchiseptica, which causes respiratory infections in a wide range of warm-blooded animals. On the other hand, within the past few years new species have been included in the genus Bordetella, namely, B. avium, B. hinzii, B. trematum, B. holmesii and B. petrii, which are pathogenic for human and/or animals. Since little is known about the phylogenetic relationship of the “new” Bordetella species within the genus Bordetella, these species were inverstigated considering the distribution and conservation of well-characterized Bordetella genes and IS elements. Because of the increasing indication of B. holmesii as an human pathogen and its association with pertussis-like symptomes these experiments were focused on the analysis of its phylogenetic relationship to the B. bronchiseptica cluster. Whereas the observation that the IS elements IS481 and IS1001, characteristic for the B. bronchiseptica cluster, are also found in B. holmesii, supports the 16S rDNA based close relationship of B. holmesii to the B. bronchiseptica cluster, the comparative analysis of OmpA, BvgA and BvgS protein sequences does not. In this regard, B. holmesii is more closely related to other “new” Bordetella species, being directly adjacent to B. avium. During the characterization of four different B. holmesii blood isolates, two variant B. holmesii strains were identified which differ from B. holmesii wild-type strains regarding the expression of the intact response regulator BvgABH. DNA sequence analysis revealed that the lack of expression of BvgABH arises from frameshift mutations which in both cases are due to the presence of an extra A residue within the bvgABH nucleotid sequence. Since the sequence around the site of this point mutation is not characterized by runs of a particular nucleotide there is no evidence for a “classical” context for frameshift mutations. Nevertheless, this DNA region may represent a “hot spot” for frameshift mutations as the two variant B. holmesii strains were isolated independently from different blood cultures. Remarkably, the type strain of B. holmesii is one of the two identified phasevariant strains. However, the role of phase variation in the natural biology of B. holmesii remains unclear since no obvious phenotypic differences could be detected between variant and wildtyp strains. Using the “genome walking” technique a bvgS orthologous gene (bvgSBH) was identified 5 bp downstream of the bvgABH stopcodon. DNA sequence analysis revealed that the bvgASBH locus of B. holmesii and the bvgAS locus of B. pertussis have very limited similarity at the DNA level explaining previous failures to identify the bvgASBH loci in B. holmesii using DNA/DNA hybridization studies and the necessity to make use of degenerate oligonucleotide primers to detect this orthologous genelocus via PCR. The “genom walking” approach further revealed that the flanking regions of the bvgAS loci are not conserved within the genus Bordetella since the bvgASBH locus is not immediately 5´ to the fhaB gene of B. holmesii. Instead, an open reading frame with similarity to a putative reponse regulator was detected upstream of bvgABH. Likewise no evidence of a bvgR homologous genlocus was detected downstream of bvgSBH. Further DNA sequence analysis additionally showed no obvious sequence similarities between the potential promoter region of the bvgASBH locus (bvgABHup) and the bvgAS promoter region of B. pertussis (bvgAup) but revealed the presence of several “inverted repeat” structures within the bvgABHup region which matches the BvgA binding site consensus sequence 5´-T/A T T C C/T T A-3. Whereas the symmetry and the organization of those structures are significantly different from those described within the bvgAup region, interessting similarities to the promoter region of the vag (virulene activated gene) gene bvgR could be identified. Although both, the response regulator BvgABH of B. holmesii and the BvgA protein of B. pertussis show nearly identical binding properties to the “inverted repeat” structures of the bvgABHup region in vitro, analysis of the reporter gene fusion bvgABHup-gfp leads to the observation that in B. pertussis binding of BvgA to the bvgABHup region results in repression of the reporter gene while, BvgABH binding activates GFP expression in B. holmesii. However, the molecular basis for these different regulatory mechanisms remain unclear. Despite extensive sequence conservation between the response regulator BvgABH of B. holmesii and BvgA of B. pertussis, the BvgABH protein is not able to replace the function of the BvgA protein in vitro and in vivo, respectively. In contrast, as was shown by complementation experiments, the histidine kinase BvgSBH of B. holmesii is able to replace the function of the mutated BvgS protein in the B. pertussis strain 347. Nevertheless, also interesting differences between the BvgSBH were identified considering signal recognition since the BvgSBH protein of the hybride B. pertussis strain BP 347 (pRK415-bvgASBH ATCC51541) is only weakly responsive to MgSO4. This may be due to the fact that, in contrast to the corresponding cytoplasmatic regions, the BvgSBH and BvgS sensor proteins are not well conserved in their predicted sensoric regions