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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-63831
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2013/6383/


Violacein-producing Janthinobacterium sp. HH01 : Genome analysis revealed a novel α-hydroxyketone-sensing reporter-strain

Violacein-produzierendes Janthinobacterium sp. HH01 : Identifikation eines α-Hydroxyketon-Reporterstammes durch Genomananalyse

Hornung, Claudia Katharina

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Freie Schlagwörter (Deutsch): Autoinducer , Janthinobacterium , Quorum sensing , Violacein
Freie Schlagwörter (Englisch): autoinducer , Janthinobacterium , quorum sensing , violacein
Basisklassifikation: 42.30
Institut: Biologie
DDC-Sachgruppe: Biowissenschaften, Biologie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Streit, Wolfgang (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 28.06.2013
Erstellungsjahr: 2013
Publikationsdatum: 27.09.2013
Kurzfassung auf Englisch: Bacteria have evolved a mechanism of cell-cell communication, which is known as quorum sensing (QS) and relies on the synthesis, detection and response to diffusible signal molecules. By now several types of QS signals, referred to as autoinducers (AI), are known. Of these, the N-acyl-L-homoserine lactone family is the best characterized group. Other later identified molecules, such as the α-hydroxyketones (AHK) have been studied less extensively. Therefore, it is imperative to analyze further compounds with autoinducer activity and also the associated strains and phenotypes. This is particularly since it was found that mainly virulence-related genes are regulated by QS pathways. Thus, the search for further QS systems and in particular their interruption is of promising scope within microbial research. Here, beside sequencing and other molecular biological techniques reporter strains are of great importance. These are susceptible to a specific AI class and allow a qualitative and/or quantitative analysis of existing AI molecules.
In the present study the recently isolated violacein producer Janthinobacterium sp. HH01 was analyzed by whole genome sequencing and with regard to its functionality as reporter strain. Investigations revealed an obviously measurable phenotype, genetic accessibility and a QS system homologous to V. cholerae and L. pneumophila (that relies on AHK signaling molecules). By analogy this novel Janthinobacterium QS system was referred to as jqs. Further investigations revealed a correlation of the AI synthase JqsA and HH01 violacein production. It was also found that violacein production in HH01 can be triggered by overexpressing the Vibrio and Legionella AI synthase genes cqsA and lqsA. These results were furthermore confirmed by the here established jqsA deletion strain HH02. This strain revealed an impaired violacein phenotype that was rescued by overexpression of the jqsA gene and moreover by the homologous AI synthase genes cqsA and lqsA. In conclusion, the obtained data provides the first proof-of-concept that both HH01 and HH02 can serve as reporter strains to detect AHK-like AIs. This is further supported by the fact that both strains feature the following most important characteristics of such detection systems: (i) the production of an easily quantifiable phenotype, (ii) they are undemanding in terms of cultivation, (iii) non-pathogen, and (iv) sensitive to different structures of a certain AI class.
Kurzfassung auf Deutsch: Bakterien haben eine Form der Zell-Zell-Kommunikation entwickelt, die als Quorum sensing (QS) bezeichnet wird und die von der Synthese, Detektion und Reaktion diffundierender Signalmoleküle abhängt. Mittlerweile sind verschiedene Arten dieser QS-Signalmoleküle, die auch als Autoinducer (AI) bezeichnet werden, bekannt. Von diesen ist die Familie der N-Acylhomoserinlactone die am besten charakterisierte Gruppe. Andere später identifizierte Moleküle, wie zum Beispiel die α-Hydroxyketone (AHK), sind dagegen bislang weniger intensiv erforscht. Daher ist es unerlässlich, weitere Molekülstrukturen mit Autoinducer-Aktivität als auch die damit assoziierten Bakterien und deren QS-regulierte Phänotypen zu untersuchen. Insbesondere da im Rahmen der QS-Forschung herausgefunden wurde, dass speziell Virulenz-Eigenschaften durch QS-Wege reguliert werden. Aus diesem Grund ist die Suche nach weiteren QS-Systemen und ihre Inhibierung ein vielversprechendes Feld innerhalb der mikrobiellen Forschung. Hier sind neben der Sequenzierung und anderen molekularbiologischen Techniken Reporterstämme von großer Bedeutung. Diese erkennen jeweils eine bestimmte AI-Klasse und erlauben so eine qualitative und/oder quantitative Analyse vorhandener AI-Moleküle.
Die vorliegende Arbeit widmete sich der Untersuchung des kürzlich isolierten Violacein-Produzenten Janthinobacterium sp. HH01 durch Etablierung seiner Genomsequenz und Analysen bezüglich seiner Funktionalität als Reportersystem. Die Untersuchungen zeigten, dass HH01 mit der Violacein-Synthese nicht nur einen offensichtlich gut messbaren Phänotyp aufweist, sondern auch genetisch zugänglich ist und ein QS-System besitzt, welches Ähnlichkeit zu entsprechenden Systemen in V. cholerae und L. pneumophila (die auf AHK-Signalmolekülen beruhen) hat. In Analogie wurde dieses neue Janthinobacterium QS-System als jqs bezeichnet. Weitere Untersuchungen zeigten einen Zusammenhang zwischen der HH01-AI-Synthase JqsA und der HH01-Violacein-Produktion. Des Weiteren wurde herausgefunden, dass eine erhöhte Violacein-Produktion in HH01 durch die Überexpression der Vibrio und Legionella AI-Synthase-Gene cqsA und lqsA ausgelöst werden kann. Diese Ergebnisse konnten außerdem durch die in dieser Arbeit etablierte jqsA-Deletionsmutante HH02 bestätigt werden. HH02 wies eine gestörte Violacein-Produktion auf, welche durch die Überexpression der Gene jqsA und der homologen AI-Synthase-Gene cqsA und lqsA wiederhergestellt werden konnte. Abschließend erbringen die erhaltenen Daten somit einen ersten Nachweis, dass beide Stämme, HH01 und HH02, als Reportersysteme zur Detektion von AHK-ähnlichen Autoinducern verwendet werden können. Denn beide Stämme weisen die folgenden wichtigsten Charakteristika solcher Detektionssysteme auf: (i) Ausprägung eines einfach quantifizierbaren Phänotyps, (ii) geringe Ansprüche in Bezug auf Nährstoffbedarf und Inkubationstemperatur, (iii) nicht-pathogen und (iv) sensitiv gegenüber verschiedenen Molekülstrukturen einer bestimmten AI-Klasse.

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