Moleculaire biologie van Plant-, Dier- en Mens-Geassocieerde Bacteriën
Gegeven door Tom Defoirdt en Monica Höfte
Chapter 1
Bacteriële processen m.b.t. interactie gastheer
Arsenaal van bacteriën om een gastheer te infecteren
▪ Gebruiken motiliteit en chemotaxis om doelwit te lokaliseren
▪ Ankeren vast via adhesie (adhesines en fimbriae)
▪ Beschermen zichzelf via biofilms
▪ Uit deze positie stelen ze voedingsstoffen van de gastheer zoals Fe via sideroforen
▪ Beginnen te infecteren en vallen gastheer aan via toxines en secretiesystemen
▪ Hierna kunnen ze verder infecteren en diepere weefsels gaan koloniseren (celinvasie)
1.1 INLEIDING
Interacties tussen organismen kunnen neutraal, positief of negatief zijn voor één of beide partijen
Org A Org B Opmerking
Synergisme + + Hebben beide voordeel maar is niet noodzakelijk voor overleving
Symbiose = mutualisme + + Hebben beide voordeel maar is noodzakelijk voor overleving
Ammensalisme +/0 - Organisme A produceert component die toxisch is voor organisme B
Parasitisme + - De pathogeen/parasiet (A) pakt nutriënten van de gastheer (B)
Pathogene bacterie = een ziekteverwekker = een bacterie dat een negatieve invloed heeft op gastheer (plant, dier, mens)
▪ Pathogeen = MO dat schade veroorzaakt aan een gastheer tgv microbiële activiteit en/of afweerrespons gastheer
▪ Pathogeniciteit = vermogen van een MO om ziekte te veroorzaken (ja of nee vraag)
▪ Virulentie = kwantitatief vermogen van MO om gastheer te schaden of de ziekte-intensiteit (hoe ziek maakt het MO)
▪ Virulentiefactoren = component, celstructuur of fenotype geproduceerd door pathogeen om te koloniseren of beschadigen
,Infectiecyclus
1) Binnendringen van gastheer
2) Kolonisatie van de gastheer + vermenigvuldiging
3) Weerstaan afweersysteem + veroorzaken van schade → verspreiding
4) Verlaten van de gastheer
5) Transmisse (verlaten → adhesie aan nieuwe gastheer)
De processen hiervoor nodig (m.u.v. diegene die gastheer beschadigen), hebben
ook een rol in positieve interacties tussen bacteriën en gastheer (niet-pathogeen)
Ziektedriehoek
Het samenspel van de processen (en virulentiefactoren) bepaald of een bacterie pathogeen is en dus het vermogen bezit
om ziek te maken en zo ja, in welke mate (virulentie). De ziekte zelf en de intensiteit ervan wordt niet enkel door de
pathogene bacterie bepaald, maar ook door de gastheer en de omgevingsfactoren
▪ Pathogeen virulentiefactoren, dispersiepotentieel (tss gastheren verspreiden) gastheerspectrum
▪ Gastheer leeftijd, immuunsysteem, vatbaarheid
▪ Omgeving temperatuur, biotische samenstelling, …
→ Dus noodzaak van onevenwicht tussen alle drie als voorwaarde voor optreden ziekte
1.2 MOTILITEIT, CHEMOTAXIS EN ADHESIE
Motiliteit
Motiliteit stelt een pathogeen instaat om zich te verspreiden binnen de gastheer, en om een nieuwe gastheer te infecteren
na het verlaten ervan (transmissie)
Verschillende vormen van motiliteit naargelang betrokken celstructuren of componenten
¨Motiliteit Aandrijving Beschrijving
Swimming flagellen ▪ Beweging in vloeistof
▪ Vaak moeilijk te onderscheiden van swarming in praktijk
Swarming flagellen ▪ Beweging over oppervlak via flagellen
▪ Beweging door viskeuze vloeistof
▪ Productie surfactans vaak noodzakelijk
→ oppervlaktespanning verlagen
Twitching pili (type IV) ▪ Beweging over oppervlak via pili
▪ Hechten vast aan oppervlak met pili en trekken in
Gliding ? ▪ Actieve vorm van beweging
▪ Nog niet goed begrepen
Sliding celdeling ▪ Passieve vorm van beweging
▪ Produceren surfactans → oppervlaktespanning verlaagd
▪ Cellen kunnen zo verschuiven na celdeling
Wordt in labo onderzocht via energierijke zachte agar = vast groeimedium met < 3 g/L agar (swimming), 3-10 g/L agar (swarming)
Surfactant = oppervlakte-actieve stof
▪ Geproduceerd door bacteriën
▪ Verlaagt oppervlaktespanning van vloeistoffen
,Flagellen
▪ ‘Lange’ draadvormige structuur (20 µm)
▪ Verankerd aan cel
▪ Soort flagellen
o Sommige kunnen verschillende types flagel produceren (verschillende genen)
o Andere meerdere flagellen van hetzelfde type
▪ Flageltypes
o Monotrisch = één aan elke pool (polair)
o Amphitrisch = één aan elke pool
o Lofotrisch = meerdere aan één pool
o Peritrisch = overal op lichaam
▪ Aanpassingsvermogen (swimming swarming)
o Sommige kunnen #flageltypes produceren (zoals Vibrio of Aeromonas)
▪ Vloeibare omgeving → monotrisch (swimming)
▪ Visceuze omgeving → peritrisch (swarming)
▪ Structuur flagel
o Helicale structuur met afstand tot opeenvolgende curve = de golflengte specifiek voor een species
o Het filament (staart zelf) bestaat uit gestapelde flagelline eiwitten met een cap op het einde
o Aan de basis = de haak, licht gebogen voor voortbewegingsrichting te kiezen
o In de cel heb je het basaal lichaam (motor + stator) → de flagel kan draaien, verankert in het C.M.
Stator zorgt voor verankering in het celmembraan
Fili proteïnen kunnen zorgen dat de motor van draaizin omkeert (naar voor/achter gaan)
Mot proteïnen (rotor) aangedreven door PMF dat energie overzet naar proton turbine force
→ ze genereren een torsiekracht en zitten rond het basaal lichaam
o De structurele eiwitten (o.a. flagelline) worden door type III secretiesysteem uit basaal lichaam gesecreteerd
Veel #genen betrokken bij aanmaak van structurele eiwitten en regulatorische eiwitten voor de productie van flagellen
Productie dus sterk gereguleerd
Drie productiefasen van flagel
1) Expressie van hoofdregulatoren (master regulators)
2) Opbouw basaal lichaam en de haak
3) Productie bijkomende delen motor + opbouw van filament (flagelline eiwitten via type III secretiesysteem)
De PMF wordt aangelegd door gebruik te maken van elektrochemische gradiënten over het celmembraan
Via ionenstroom door basaal lichaam (eiwitten in de stator MotA of PomA) → ondergaan conformatiewijziging → krijgt draaiing
van de motor (rotor) tov de stator → hoek en filament draaien → rotatie flagel
Soms Na+ = sodium motive force ipv PMF bij polaire flagel van Vibrio en Aeromonas
Om de gradiënt op punt te houden moeten constant protonen (H+) en ionen (Na+) teruggepompt worden → flagel kost veel ATP
Voortbeweging via flagel
▪ Voorwaarts → tegenwijzerzin (run)
o Meerdere flagellen zijn gegroepeerd in een bundel
▪ Achterwaarts → wijzerzin (tumble)
o Om van draaizin te veranderen
o Bundel bij meerdere flagellen ontwindt
, De flagel kan 4 verschillende functies uitvoeren
1) Voorbeweging → kolonisatie, virulentiefactor, chemotaxis, motiliteit (zie voorgaande)
2) Adhesie
o Adhesine = celoppervlakte component voor binding aan een receptor aan de gastheer (kan stuk van flagel zijn)
o Flagel helpt bij initiële, reversibele adhesie = 1ste nadering van het gastheerceloppervlak via niet specifieke krachten
▪ Mogelijks adhesine op flagel kan zorgen voor irreversibele adhesie
▪ Lengte flagel wordt gebruikt voor aftasten → verlengt cellengte aanzienlijk
▪ Roteren met hoge snelheid → grote kans om te botsen met oppervlak en met genoeg kracht
▪ Door polymere opbouw → veel kleine interacties met oppervlak → samen sterk
3) Secretie van virulentiefactoren
4) Regulatorische functie: mechanosensing
o Voelen viscositeit aan via hun flagellen want rotatiesnelheid daalt → zie 3.3.3
o Kan hierdoor bepaalde genen aan/uitschakelen → bv voor swarming
Chemotaxis
Wanneer bacteriën hun beweging afstemmen op een concentratiegradiënt van een chemische stof waar ze naartoe (cemoattractant) of
weg van (chemorepellent) kunnen bewegen T, pH, [O2] = aerotaxis, osmolariteit kan ook naast chemotaxis
Dit doen ze via run-tumbling mechanisme en niet in rechte lijn want kan geen concentratieverschil over lengte van cel voelen (te klein)
Door te spelen met hun draaizin van de flagel, en de langere runs als ze in de juiste richting bewegen
Als er geen concentratiegradiënt aanwezig is doen ze een random walk
Pathogenen gebruiken chemotaxis om de juiste locatie te bereiken waar ze de
gastheer gaan infecteren → zie Hfst 3 (mucuslaag, wondjes bij planten, …)
Niet uniek aan pathogenen → reactie Rhizobium op flavonoïden
Hypothese: ze detecteren de concentratie tijdens hun runs via membraanverankerde receptoren → want cellengte te klein voor detectie
▪ Die receptoren = chemotaxis eiwitten = Che eiwitten zoals methyl-accepting chemotaxis proteins (MCP)
▪ Ze sturen de richting van de flagelrotatie aan
Gegeven door Tom Defoirdt en Monica Höfte
Chapter 1
Bacteriële processen m.b.t. interactie gastheer
Arsenaal van bacteriën om een gastheer te infecteren
▪ Gebruiken motiliteit en chemotaxis om doelwit te lokaliseren
▪ Ankeren vast via adhesie (adhesines en fimbriae)
▪ Beschermen zichzelf via biofilms
▪ Uit deze positie stelen ze voedingsstoffen van de gastheer zoals Fe via sideroforen
▪ Beginnen te infecteren en vallen gastheer aan via toxines en secretiesystemen
▪ Hierna kunnen ze verder infecteren en diepere weefsels gaan koloniseren (celinvasie)
1.1 INLEIDING
Interacties tussen organismen kunnen neutraal, positief of negatief zijn voor één of beide partijen
Org A Org B Opmerking
Synergisme + + Hebben beide voordeel maar is niet noodzakelijk voor overleving
Symbiose = mutualisme + + Hebben beide voordeel maar is noodzakelijk voor overleving
Ammensalisme +/0 - Organisme A produceert component die toxisch is voor organisme B
Parasitisme + - De pathogeen/parasiet (A) pakt nutriënten van de gastheer (B)
Pathogene bacterie = een ziekteverwekker = een bacterie dat een negatieve invloed heeft op gastheer (plant, dier, mens)
▪ Pathogeen = MO dat schade veroorzaakt aan een gastheer tgv microbiële activiteit en/of afweerrespons gastheer
▪ Pathogeniciteit = vermogen van een MO om ziekte te veroorzaken (ja of nee vraag)
▪ Virulentie = kwantitatief vermogen van MO om gastheer te schaden of de ziekte-intensiteit (hoe ziek maakt het MO)
▪ Virulentiefactoren = component, celstructuur of fenotype geproduceerd door pathogeen om te koloniseren of beschadigen
,Infectiecyclus
1) Binnendringen van gastheer
2) Kolonisatie van de gastheer + vermenigvuldiging
3) Weerstaan afweersysteem + veroorzaken van schade → verspreiding
4) Verlaten van de gastheer
5) Transmisse (verlaten → adhesie aan nieuwe gastheer)
De processen hiervoor nodig (m.u.v. diegene die gastheer beschadigen), hebben
ook een rol in positieve interacties tussen bacteriën en gastheer (niet-pathogeen)
Ziektedriehoek
Het samenspel van de processen (en virulentiefactoren) bepaald of een bacterie pathogeen is en dus het vermogen bezit
om ziek te maken en zo ja, in welke mate (virulentie). De ziekte zelf en de intensiteit ervan wordt niet enkel door de
pathogene bacterie bepaald, maar ook door de gastheer en de omgevingsfactoren
▪ Pathogeen virulentiefactoren, dispersiepotentieel (tss gastheren verspreiden) gastheerspectrum
▪ Gastheer leeftijd, immuunsysteem, vatbaarheid
▪ Omgeving temperatuur, biotische samenstelling, …
→ Dus noodzaak van onevenwicht tussen alle drie als voorwaarde voor optreden ziekte
1.2 MOTILITEIT, CHEMOTAXIS EN ADHESIE
Motiliteit
Motiliteit stelt een pathogeen instaat om zich te verspreiden binnen de gastheer, en om een nieuwe gastheer te infecteren
na het verlaten ervan (transmissie)
Verschillende vormen van motiliteit naargelang betrokken celstructuren of componenten
¨Motiliteit Aandrijving Beschrijving
Swimming flagellen ▪ Beweging in vloeistof
▪ Vaak moeilijk te onderscheiden van swarming in praktijk
Swarming flagellen ▪ Beweging over oppervlak via flagellen
▪ Beweging door viskeuze vloeistof
▪ Productie surfactans vaak noodzakelijk
→ oppervlaktespanning verlagen
Twitching pili (type IV) ▪ Beweging over oppervlak via pili
▪ Hechten vast aan oppervlak met pili en trekken in
Gliding ? ▪ Actieve vorm van beweging
▪ Nog niet goed begrepen
Sliding celdeling ▪ Passieve vorm van beweging
▪ Produceren surfactans → oppervlaktespanning verlaagd
▪ Cellen kunnen zo verschuiven na celdeling
Wordt in labo onderzocht via energierijke zachte agar = vast groeimedium met < 3 g/L agar (swimming), 3-10 g/L agar (swarming)
Surfactant = oppervlakte-actieve stof
▪ Geproduceerd door bacteriën
▪ Verlaagt oppervlaktespanning van vloeistoffen
,Flagellen
▪ ‘Lange’ draadvormige structuur (20 µm)
▪ Verankerd aan cel
▪ Soort flagellen
o Sommige kunnen verschillende types flagel produceren (verschillende genen)
o Andere meerdere flagellen van hetzelfde type
▪ Flageltypes
o Monotrisch = één aan elke pool (polair)
o Amphitrisch = één aan elke pool
o Lofotrisch = meerdere aan één pool
o Peritrisch = overal op lichaam
▪ Aanpassingsvermogen (swimming swarming)
o Sommige kunnen #flageltypes produceren (zoals Vibrio of Aeromonas)
▪ Vloeibare omgeving → monotrisch (swimming)
▪ Visceuze omgeving → peritrisch (swarming)
▪ Structuur flagel
o Helicale structuur met afstand tot opeenvolgende curve = de golflengte specifiek voor een species
o Het filament (staart zelf) bestaat uit gestapelde flagelline eiwitten met een cap op het einde
o Aan de basis = de haak, licht gebogen voor voortbewegingsrichting te kiezen
o In de cel heb je het basaal lichaam (motor + stator) → de flagel kan draaien, verankert in het C.M.
Stator zorgt voor verankering in het celmembraan
Fili proteïnen kunnen zorgen dat de motor van draaizin omkeert (naar voor/achter gaan)
Mot proteïnen (rotor) aangedreven door PMF dat energie overzet naar proton turbine force
→ ze genereren een torsiekracht en zitten rond het basaal lichaam
o De structurele eiwitten (o.a. flagelline) worden door type III secretiesysteem uit basaal lichaam gesecreteerd
Veel #genen betrokken bij aanmaak van structurele eiwitten en regulatorische eiwitten voor de productie van flagellen
Productie dus sterk gereguleerd
Drie productiefasen van flagel
1) Expressie van hoofdregulatoren (master regulators)
2) Opbouw basaal lichaam en de haak
3) Productie bijkomende delen motor + opbouw van filament (flagelline eiwitten via type III secretiesysteem)
De PMF wordt aangelegd door gebruik te maken van elektrochemische gradiënten over het celmembraan
Via ionenstroom door basaal lichaam (eiwitten in de stator MotA of PomA) → ondergaan conformatiewijziging → krijgt draaiing
van de motor (rotor) tov de stator → hoek en filament draaien → rotatie flagel
Soms Na+ = sodium motive force ipv PMF bij polaire flagel van Vibrio en Aeromonas
Om de gradiënt op punt te houden moeten constant protonen (H+) en ionen (Na+) teruggepompt worden → flagel kost veel ATP
Voortbeweging via flagel
▪ Voorwaarts → tegenwijzerzin (run)
o Meerdere flagellen zijn gegroepeerd in een bundel
▪ Achterwaarts → wijzerzin (tumble)
o Om van draaizin te veranderen
o Bundel bij meerdere flagellen ontwindt
, De flagel kan 4 verschillende functies uitvoeren
1) Voorbeweging → kolonisatie, virulentiefactor, chemotaxis, motiliteit (zie voorgaande)
2) Adhesie
o Adhesine = celoppervlakte component voor binding aan een receptor aan de gastheer (kan stuk van flagel zijn)
o Flagel helpt bij initiële, reversibele adhesie = 1ste nadering van het gastheerceloppervlak via niet specifieke krachten
▪ Mogelijks adhesine op flagel kan zorgen voor irreversibele adhesie
▪ Lengte flagel wordt gebruikt voor aftasten → verlengt cellengte aanzienlijk
▪ Roteren met hoge snelheid → grote kans om te botsen met oppervlak en met genoeg kracht
▪ Door polymere opbouw → veel kleine interacties met oppervlak → samen sterk
3) Secretie van virulentiefactoren
4) Regulatorische functie: mechanosensing
o Voelen viscositeit aan via hun flagellen want rotatiesnelheid daalt → zie 3.3.3
o Kan hierdoor bepaalde genen aan/uitschakelen → bv voor swarming
Chemotaxis
Wanneer bacteriën hun beweging afstemmen op een concentratiegradiënt van een chemische stof waar ze naartoe (cemoattractant) of
weg van (chemorepellent) kunnen bewegen T, pH, [O2] = aerotaxis, osmolariteit kan ook naast chemotaxis
Dit doen ze via run-tumbling mechanisme en niet in rechte lijn want kan geen concentratieverschil over lengte van cel voelen (te klein)
Door te spelen met hun draaizin van de flagel, en de langere runs als ze in de juiste richting bewegen
Als er geen concentratiegradiënt aanwezig is doen ze een random walk
Pathogenen gebruiken chemotaxis om de juiste locatie te bereiken waar ze de
gastheer gaan infecteren → zie Hfst 3 (mucuslaag, wondjes bij planten, …)
Niet uniek aan pathogenen → reactie Rhizobium op flavonoïden
Hypothese: ze detecteren de concentratie tijdens hun runs via membraanverankerde receptoren → want cellengte te klein voor detectie
▪ Die receptoren = chemotaxis eiwitten = Che eiwitten zoals methyl-accepting chemotaxis proteins (MCP)
▪ Ze sturen de richting van de flagelrotatie aan
