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Abb. 1 Anpassung von Darmbakterien an Ernährungs- und Wirtsfaktoren

Abb. 1 Wachstumsverzögerung von nfuA defizienten E. coli unter oxidativen Stressbedingungen, ... mehr

Abb. 2 Anpassung von Darmbakterien an Ernährungs- und Wirtsfaktoren

Abb. 2 Wachstumsverzögerung von oxyR-defizienten E. coli unter osmotischen Stressbedingungen ... mehr

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Stand: 23.04.2018 17:11:47

Abteilung Gastrointestinale Mikrobiologie (GAMI)

Projekt 3 : Anpassung von Darmbakterien an Ernährungs- und Wirtsfaktoren

Carl-Alfred Alpert, Wolfram Engst (Analytik), Gunnar Loh, Monique Rothe, Sara Schumann

Es gibt nur wenige Studien, die die Effekte von Wirts- und Ernährungsfaktoren auf Darmbakterien erforschen, obwohl die zelluläre Adaptation von Darmbakterien sich auf den Wirtsorganismus auswirken kann. Deshalb untersuchten wir, ob eine akute Darmentzündung oder bestimmte Ernährungsfaktoren die Proteinexpression intestinaler Bakterien beeinflussen können.

Hierzu besiedelten wir keimfreie Mäuse mit dem Bakterium Escherichia coli (E. coli) Stamm UNC, der Darmentzündungen auslöst, oder dem probiotischen E. coli Nissle. Danach lösten wir bei den Tieren durch orale Gabe von Natrium-Dextransulfat eine Darmentzündung aus. Anschließend entnahmen wir aus den Blinddärmen der Tiere E. coli-Proben und untersuchten mittels zwei-dimensionaler Gelelektrophorese die zugehörigen, bakteriellen Proteome. Die so gewonnenen Daten verglichen wir mit denen, die wir aus E. coli-Proben gesunder Kontrolltiere gewannen, wobei wir differentiell exprimierte Proteine mit Hilfe von Massenspektroskopie identifizierten.

Wie wir feststellten, war ein für die Biogenese von Eisen-Schwefel-Proteinen wichtiges Protein (NfuA) in den E. coli-Zellen unterschiedlich stark exprimiert. Die E. coli- Zellen, die aus Tieren stammten, deren Darm entzündet war, exprimierten NfuA stärker als die, die wir den gesunden Kontrolltieren entnommen hatten. Da wir eine stärkere Expression von NfuA sowohl in dem kolitogenen E. coliUNC als auch in dem probiotischen E. coli Nissle beobachteten, untersuchten wir die Bedeutung dieses Proteins für das Überleben von E. coli im entzündeten Darm genauer.

Wie wir in einem weiteren Experiment zeigten, beeinträchtigt die Deletion des nfuA-Gens das Wachstum von E. coli in Gegenwart des Superoxidgenerators Paraquat (Abb. 1). Unsere Ergebnisse weisen daher darauf hin, dass NfuA bei E. coli eine wichtige Rolle für die Reparatur von Eisen-Schwefel-Proteinen spielt, die durch oxidativen Stress geschädigt wurden. Da NfuA in beiden E. coli- Stämmen unter Entzündungsbedingungen heraufreguliert wurde, nehmen wir an, dass es E. coli in die Lage versetzt, besser mit den Entzündungsbedingungen im Darm zurecht zu kommen.

Um den Einfluss der Ernährung auf Darmbakterien zu untersuchen, besiedelten wir keimfreie Mäuse mit dem kommensalen E. coli MG1655. Die Mäuse teilten wir in drei Gruppen ein, die wir entweder mit stärkereichem, proteinreichem oder laktosereichem Futter fütterten. Anschließend verglichen wir die Proteinexpressionsmuster der E. coli- Bakterien, die wir aus den Mäusen isolierten, die eine proteinreiche oder laktosereiche Diät erhielten, mit dem Muster von E. coli-Bakterien aus Mäusen, die mit einer stärkereichen Diät gefüttert wurden. Mittels Proteomanalyse identifizierten wir mehrere E. coli-Proteine, die unter der laktosereichen Diät stärker exprimiert wurden als unter der stärkereichen Kontrolldiät. Mehrere dieser hochregulierten Proteine wie das DNA protection during starvation protein (Dps), die Alkylhydroperoxidreduktase (AhpR) und das ferric uptake regulatory protein (Fur) gehören zum oxyR-Regulon. Dieses Regulon wird unter prooxidativen Bedingungen aktiviert. Es kontrolliert Gene, welche die bakterielle Zelle vor oxidativem Stress schützen. Unsere Analysen zeigen jedoch, dass auch osmotisch wirksame Nahrungsbestandteile, z. B. verschiedene Kohlenhydrate, die Transkription der dps- und ahpCF-Gene induzieren. E. coli- Mutanten, in denen die oxyR- oder ahpCFGene ausgeschaltet waren, wuchsen in Gegenwart von Saccharose nur verzögert (Abb. 2). Wir konnten damit beweisen, dass Gene, die typischerweise für den Schutz vor oxidativem Stress verantwortlich sind, auch eine wichtige Rolle bei der Adaptation von intestinalen E. coli an osmotisch aktive Nahrungsfaktoren übernehmen.

© 2018 DIfE - Deutsches Institut für Ernährungsforschung. Alle Rechte vorbehalten. // Stand 29.03.2018