Genetic modules for sensing and detoxification of antimicrobial compounds in Listeria monocytogenes

Abstract

ATP-binding cassette (ABC)-Transporter erfüllen eine Vielzahl von Funktionen in allen Bereichen des Lebens. Die wichtigsten Funktionen prokaryotischer ABC-Transporter sind die Aufnahme von Nährstoffen aus der Umwelt, aber auch der Transport von Zuckern und Lipiden über die Zellmembran und die Entgiftung antimikrobieller Substanzen. Ein Transporter, welcher mehrere solcher antimikrobieller Verbindungen exportiert, wird als Multi-Drug-Resistance (MDR)-Transporter bezeichnet, da der Export solcher Verbindungen die Resistenz gegen die jeweiligen antimikrobiellen Substanzen vermittelt. Listeria monocytogenes ist ein grampositives Bakterium, welches in vielen ökologischen Nischen in der Natur vorkommt, und zeitgleich ein Krankheitserreger des Menschen, der oral aufgenommen wird und schwere Symptome hervorrufen kann. Zwanzig bisher nicht charakterisierte ABC-Typ MDR-Transporter wurden in silico im L. monocytogenes Genom identifiziert und die Promotoren ihrer Gene mit lacZ fusioniert. Stämme, die diese Konstrukte trugen, wurden auf Promotor-Induktion durch sekundäre Metaboliten, die von Kompetitoren von L. monocytogenes im Boden ausgeschieden werden getestet. Der Promotor, der die Expression der lmo1964-lmo1962-Gene steuert, wurde durch das Makrodiolid Tartrolon B induziert. Die Tartrolon B-Resistenz von L. monocytogenes war von den lmo1964-lmo1963-Transportergenen abhängig, und das Operon wurde in das tim-Operon umbenannt. Ein Tartrolon-B-Suppressor-Screen führte zur Isolierung von Stämmen mit einem inaktiven clpP2-Allel, die hochgradig resistent gegen Tartrolon B waren. Die hohe Resistenz war jedoch vom Vorhandensein der timAB-Gene abhängig. Weitere Experimente deuteten darauf hin, dass der Grund für die Tartrolon-B-Resistenz von Stämmen, die ein dysfunktionales ClpXP2- und ClpCP2-Proteasom besitzen, in der Akkumulation von SpxA1, einem Transkriptionsregulator, liegt, welcher vermutlich weitere Gene, die zur Tartrolon B-Resistenz beitragen, aktiviert.

ATP binding cassette (ABC) transporters fulfill a wide variety of functions in all domains of life. The most important functions of prokaryotic ABC transporters are the uptake of nutrients from the environment, but also the transport of sugars and lipids and the detoxification of antimicrobial compounds. A transporter exporting a variety of such antimicrobial compounds is called an multi drug resistance (MDR) transporter, since its export of such compounds is mediating resistance to the respective molecules. Listeria monocytogenes is a gram-positive bacterium and a food-borne pathogen, which can cause severe symptoms upon ingestion. Twenty so far uncharacterized ABC-type MDR transporters were identified in silico in the L. monocytogenes genome, and their respective promoters fused to the lacZ reporter gene to monitor their induction by secondary metabolites secreted by natural competitors of L. monocytogenes present in the soil. The promoter controlling the expression of the lmo1964-lmo1962 genes was induced by the macrodiolide tartrolon B, which is toxic to gram-positive bacteria. The tartrolon B resistance of L. monocytogenes was dependent on the lmo1964-lmo1963 transporter genes and the operon renamed to the tim operon. A tartrolon B suppressor screen led to the isolation of strains with an inactive clpP2 allele, which were highly resistant to the drug. However, the high-level resistance was dependent on the presence of the timAB genes. Further experiments demonstrated that the reason for the tartrolon B resistance-gain of strains carrying a dysfunctional ClpXP2 and ClpCP2 proteasome was caused by the accumulation of SpxA1, a transcriptional regulator, which probably activates genes involved in detoxification of tartrolon B.