Molecular mechanism regulating periplasmic proteolysis in bacterial pathogenesis

点击翻译按钮获取中文摘要

Abstract  The  majority  of  chronic  bacterial  infections  have  been  attributed  to  biofilm  formation.  Biofilm  formation  is  a  conserved  physiological  process  during  which  bacteria  become  sessile,  secrete  a  protective  extracellular  matrix and function as a community, rather than as single cells. It is an adaptation mechanism, which starts  with  environmental  cues  that  are  transduced  via  cell  signaling  pathways  and  ultimately  translated  into  changes  in  cellular  behavior.  The  dinucleotide  second  messenger  c-­di-­GMP,  together  with  the  enzymes  for  its production and degradation, has been identified as the major intracellular signaling molecule that controls  biofilm formation and virulence in many bacterial species. Many microbes encode a large number of enzymes  involved  in  c-­di-­GMP  metabolism  and  receptors  for  c-­di-­GMP-­dependent  responses,  and  this  number  often  scales with the adaptation potential of the organism. The prevalence and organization of c-­di-­GMP signaling  networks  suggests  that  mechanisms  exist  to  ensure  signaling  specificity,  although  this  hypothesis  has  not  been explored in great detail. Here, studies will focus on the regulation of a conserved signaling network that  controls cell adhesion in a wide range of bacteria, including several major human pathogens. Central to this  regulatory  node  is  a  transmembrane  c-­di-­GMP  receptor  with  a  prevalent  domain  organization  and  the  enzymes  that  control  its  activity.  Preliminary  data  indicate  that  this  system  is  ideal  to  study  a  major  open  question in the field: How is c-­di-­GMP signaling specificity achieved in signaling networks containing dozens  of  proteins  with  identical  catalytic  activities?  We  address  this  question  several  ways  by  focusing  on  the  conserved,  membrane-­bound,  HAMP  domain-­containing  c-­di-­GMP  receptor  LapD.  We  explore  how  protein-­ protein  interactions  between  this  receptor  and  c-­di-­GMP  metabolizing  enzymes  help  confer  specificity.  Through these studies we also address how c-­di-­GMP signaling is controlled across the cell membrane, and  how  this  protein  family,  comprised  of  >2000  HAMP-­GGDEF-­EAL  domain-­containing  proteins,  is  regulated.  Finally,  we  utilize  mass  spectroscopy-­based  proteomics  approaches  to  systematically  identify  c-­di-­GMP-­ relevant protein networks. These studies will be complemented by the elucidation of specific responses and  signaling  networks  responsive  to  physiological  inputs,  foremost  nutritional  sources.  Together,  the  proposed  studies have the potential to reveal broadly relevant molecular mechanisms that are fundamental to c-­di-­GMP  signaling  and  biofilm  formation.  Considering  the  central  role  of  this  process  in  infectious  diseases,  it  is  well  accepted  that  understanding  the  underlying  mechanisms  may  enable  the  development  of  innovative  strategies  to  manage  and  treat  chronic  infections.  Thus,  the  work  described  here  will  provide  molecular  blueprints that can be used in the design of new, targeted therapies.