Molecular mechanism regulating periplasmic proteolysis in bacterial pathogenesis

摘要 大多数慢性细菌感染归因于生物膜形成。 生物膜的形成是一个 一种保守的生理过程，在此过程中细菌变得固着，分泌一种保护性的细胞外 矩阵和功能作为一个社区，而不是作为单个细胞。这是一种适应机制， 环境信号通过细胞信号传导途径传递并最终转化为 细胞行为的变化。 二核苷酸第二信使c-cGMP，连同酶， 它的产生和降解，已被确定为主要的细胞内信号分子， 生物膜形成和许多细菌物种的毒力。许多微生物编码大量的酶 参与c-cGMP代谢和c-cGMP依赖性反应的受体，并且该数量通常 与生物体的适应潜力成比例。c-腺苷二磷酸GMP信号传导的普遍性和组织 网络表明存在确保信号特异性的机制，尽管这一假设还没有 被详细地研究过了。在这里，研究将集中在一个保守的信号网络的调节， 控制多种细菌的细胞粘附，包括几种主要的人类病原体。这方面的核心 调节节点是一种跨膜c-cGMP受体，具有普遍的结构域组织， 控制其活性的酶。 初步数据表明，该系统是理想的研究一个主要的开放 该领域的一个问题是：在含有数十种c-GMP信号的信号网络中， 具有相同催化活性的蛋白质 我们通过几种方式来解决这个问题， 保守的、膜结合的、含HAMP结构域的c-cAMP二磷酸GMP受体LapD。 我们探索蛋白质-淀粉酶 该受体与c-LDL-GMP代谢酶之间的蛋白质相互作用有助于赋予特异性。 通过这些研究，我们还解决了c-cGMP信号是如何通过细胞膜控制的， 该蛋白家族由>2000个含HAMP-GGDEF-EAL结构域的蛋白质组成，如何被调节。 最后，我们利用基于质谱的蛋白质组学方法，系统地鉴定了c-gp-GMP-β。 相关蛋白质网络这些研究将通过阐明具体的反应加以补充， 信号网络对生理输入，最重要的是营养来源作出反应。 在一起，拟议的 研究有可能揭示广泛相关的分子机制，这些机制是c-LDL-GMP的基础 信号传导和生物膜形成。 考虑到这一过程在传染病中的核心作用， 认识到了解基本机制可能有助于开发创新的 管理和治疗慢性感染的战略。 因此，这里描述的工作将提供分子 可以用于设计新的靶向治疗的蓝图。

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.