TY  - THES
A1  - Fuchs, Manuela
T1  - Global discovery and functional characterization of Hfq-associated sRNA-target networks in \(C.\) \(difficile\)
T1  - Globale Identifizierung und funktionelle Charakterisierung von Hfq-assoziierten sRNA-Zielnetzwerken in \(C.\) \(difficile\)
N2  - In this work, dRNA-seq (differential RNA sequencing) and RNAtag-seq were applied to first define the global transcriptome architecture of C. difficile, followed by Hfq RIP-seq (RNA immunoprecipitation followed by RNA-seq) and RIL-seq (RNA interaction by ligation and sequencing) to characterize the Hfq-mediated sRNA interactome on a transcriptome-wide scale. These approaches resulted in the annotation of > 60 novel sRNAs. Notably, it not only revealed 50 Hfq-bound sRNAs, but also > 1000 mRNA-sRNA interactions, confirming Hfq as a global RNA matchmaker in C. difficile. Similar to its function in Gram-negative species, deletion of Hfq resulted in decreased sRNA half-lives, providing evidence that Hfq affects sRNA stability in C. difficile. Finally, several sRNAs and their function in various infection relevant conditions were characterized. The sRNA nc085 directly interacts with the two-component response regulator eutV, resulting in regulation of ethanolamine utilization, an abundant intestinal carbon and nitrogen source known to impact C. difficile pathogenicity. Meanwhile, SpoY and SpoX regulate translation of the master regulator of sporulation spo0A in vivo, thereby affecting sporulation initiation. Furthermore, SpoY and SpoX deletion significantly impacts C. difficile gut colonization and spore burden in a mouse model of C. difficile infection.
N2  - Der anaerobe Gram-positive humanpathogene Erreger Clostridioides difficile (C. difficile) gilt als Hauptursache für nosokomiale Antibiotika-assoziierte Diarrhöe. Verschiedene Virulenzfaktoren und -eigenschaften beeinflussen das Fortschreiten und den Schweregrad der Krankheit, darunter Toxinexpression und Sporenbildung. Kleine regulatorische RNAs (sRNAs) sind bekannte post- transkriptionelle Regulatoren von Virulenz- und Stress-assoziierten Stoffwechselwegen in vielen pathogenen Bakterien. In Gram-negativen Arten wird sRNA-abhängige post-transkriptionelle Regulierung häufig durch das RNA-Chaperon Hfq vermittelt, welches die sRNA-mRNA- Basenpaarung erleichtert. Trotz ihrer Bedeutung in Gram-negativen Bakterien ist vergleichsweise wenig über die verschiedenen Aspekte der post-transkriptionellen Regulation in Gram-positiven Arten bekannt. Erste Daten deuten auf eine wichtige Funktion von Hfq bei der Regulierung verschiedener infektionsassoziierter Signalwege in C. difficile hin, sowie auf die Existenz eines umfangreichen post-transkriptionellen Netzwerks. Eine globale Identifizierung von Hfq- assoziierten RNAs und deren Einfluss auf die Virulenz von und Kolonisierung durch C. difficile ist jedoch bisher noch nicht erfolgt. In dieser Arbeit wurde dRNA-seq (differentielle RNA-Sequenzierung) und RNAtag-seq angewandt, um zunächst die globale Transkriptom-Architektur von C. difficile zu definieren. Anschließend wurde Hfq RIP-seq (RNA-Immunpräzipitation gefolgt von RNA-seq) und RIL-seq (RNA-Interaktion durch Ligation und Sequenzierung) durchgeführt, um das Hfq-vermittelte sRNA-Interaktom auf globaler Ebene zu charakterisieren. Diese Ansätze führten zur Annotation von > 60 neuen sRNAs. Darüber hinaus wurden 50 Hfq-gebundene sRNAs, sowie > 1000 mRNA- sRNA-Interaktionen identifiziert, wodurch Hfq als globaler RNA-Matchmaker in C. difficile bestätigt wurde. Analog zu seiner Funktion in Gram-negativen Arten, führte die Deletion von Hfq zu verringerten sRNA-Halbwertszeiten, was darauf hindeutet, dass Hfq die sRNA-Stabilität in C. difficile beeinflusst. Schließlich wurden mehrere sRNAs und ihre Funktion unter verschiedenen infektionsrelevanten Bedingungen charakterisiert. Die sRNA nc085 interagiert direkt mit dem Zweikomponenten-Regulator eutV, was zu einer Regulierung der Ethanolaminverwertung führt. Als häufig vorkommenden Kohlenstoff- und Stickstoffquelle im Darm, kann Ethanolamin die Pathogenität von C. difficile beeinflussen. SpoY und SpoX regulieren dagegen die Translation des Hauptregulators der Sporulation spo0A in vivo und damit die Sporulationsinitiation. Darüber hinaus hat die Deletion von SpoY und SpoX signifikante Auswirkungen auf die Besiedlung des Darms mit C. difficile sowie die Sporenbelastung in einem Mausmodell der C. difficile-Infektion. Insgesamt liefert diese Arbeit Beweise für eine umfassende Hfq-abhängige post-transkriptionelle Regulierung, die die Physiologie und Virulenz eines Gram-positiven Erregers beeinflusst. Auch wenn mit dieser Arbeit die Charakterisierung der sRNA-vermittelten Regulation in C. difficile gerade erst begonnen hat, können die RIL-seq-Daten als Grundlage für zukünftige mechanistische Studien der RNA-basierten Genregulation in C. difficile herangezogen werden.
KW  - Clostridium difficile
KW  - Non-coding RNA
KW  - Small RNA
KW  - RNA-bindendes Protein
KW  - Sporulation
KW  - post-transcriptional regulation
KW  - anaerobe
KW  - Gram-positive
KW  - differential RNA-seq
KW  - transcriptional termination site
KW  - Hfq
KW  - RIL-seq
KW  - Spo0A
KW  - RNS-Bindungsproteine
KW  - Sporenbildung
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-345982
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zachary, Marie
T1  - Functional characterization of small non-coding RNAs of \(Neisseria\) \(gonorrhoeae\)
T1  - Funktionelle Charakterisierung kleiner nicht-kodierender RNAs in \(Neisseria\) \(gonorrhoeae\)
N2  - During infection, bacteria need to adapt to a changing environment and have to endure various stress conditions. Small non-coding RNAs are considered as important regulators of bacterial gene expression and so allow quick adaptations by altering expression of specific target genes. Regulation of gene expression in the human-restricted pathogen Neisseria gonorrhoeae, the causative agent of the sexually transmitted disease gonorrhoea, is only poorly understood. The present study aims a better understanding of gene regulation in N. gonorrhoeae by studying small non-coding RNAs.
The discovery of antisense RNAs for all opa genes led to the hypothesis of asRNA-mediated degradation of out-of-frame opa transcripts. Analysis of asRNA expression revealed a very low abundance of the transcripts and inclusion of another phase-variable gene in the study indicates that the asRNAs are not involved in degradation of out-of-frame transcripts.
This doctoral thesis focuses on the analysis of trans-acting sRNAs. The sibling sRNAs NgncR_162 and NgncR_163 were discovered as post-transcriptional regulators altering expression of genes involved in metabolic processes, amino acid uptake and transcriptional regulation. A more detailed analysis by in silico and transcriptomic approaches showed that the sRNAs regulate a broad variety of genes coding for proteins of central metabolism, amino acid biosynthesis and degradation and several transport processes. Expression levels of the sibling sRNAs depend on the growth phase of the bacteria and on the growth medium. This indicates that NgncR_162 and NgncR_163 are involved in the adaptation of the gonococcal metabolism to specific growth conditions.
This work further initiates characterisation of the sRNA NgncR_237. An in silico analysis showed details on sequence conservation and a possible secondary structure. A combination of in silico target prediction and differential RNA sequencing resulted in the identification of several target genes involved in type IV pilus biogenesis and DNA recombination. However, it was not successful to find induction conditions for sRNA expression. Interestingly, a possible sibling sRNA could be identified that shares the target interaction sequence with NgncR_237 and could therefore target the same mRNAs.
In conclusion, this thesis provides further insights in gene regulation by non-coding RNAs in N. gonorrhoeae by analysing two pairs of sibling sRNAs modulating bacterial metabolism or possibly type IV pilus biogenesis.
N2  - Bakterien müssen sich während des Infektionsprozesses an eine sich veränderte Umgebung anpassen und sind dabei zahlreichen Stressfaktoren ausgesetzt. Kleine, nicht-kodierende RNAs gelten als wichtige Regulatoren der bakteriellen Genexpression und ermöglichen daher eine schnelle Anpassung durch eine Veränderung der Expression spezifischer Ziel-Gene. Die Regulation der Genexpression des Humanpathogens Neisseria gonorrhoeae, Auslöser der Geschlechtskrankheit Gonorrhö, ist bis jetzt kaum verstanden. Die vorliegende Studie soll durch die Analyse kleiner, nicht-kodierender RNAs zum besseren Verständnis der Genregulation in Gonokokken beitragen.
Durch die Entdeckung von antisense-RNAs für alle opa Gene wurde die Hypothese entwickelt, dass diese für den Abbau von opa Transkripten außerhalb des Leserahmens verantwortlich sind. Eine Analyse der asRNA Expression zeigte jedoch, dass diese sehr wenig exprimiert werden und auch die Untersuchung eines anderen phasenvariablen Gens weist darauf hin, dass die asRNAs keine Bedeutung für den Abbau von Transkripten außerhalb des Leserahmens haben.
Der Schwerpunkt der Doktorarbeit liegt auf der Untersuchung trans-codierter sRNAs. Die Zwillings-sRNAs NgncR_162 und NgncR_163 agieren als post-transkriptionelle Regulatoren, die die Expression von Genen verändern, die bei Stoffwechselprozessen, Aminosäureaufnahme und transkriptioneller Regulation eine Rolle spielen. Eine detailliertere Analyse durch in silico- und Transkriptom-Studien zeigte, dass die sRNAs ein großes Spektrum an Genen regulieren, die für Proteine des Zentralstoffwechsels, der Aminosäurebiosynthese und des –abbaus, sowie zahlreicher Transportprozesse kodieren. Die Expressionslevel der Zwillings-sRNAs hängen von der Wachstumsphase der Bakterien und dem Wachstumsmedium ab. Das weist darauf hin, dass NgncR_162 und NgncR_163 eine Rolle bei der Adaptation des Stoffwechsels von Gonokokken zu bestimmten Wachstumsbedingungen spielen.
In dieser Arbeit wird zudem die Charakterisierung der sRNA NgncR_237 initiiert. Im Rahmen von in silico Analysen wurde die Sequenzkonservierung und mögliche Sekundärstruktur untersucht. Eine Kombination aus in silico Zielgen-Vorhersage und differentieller RNA Sequenzierung führte zur Identifizierung zahlreicher Zielgene, die in der Biogenese von Typ IV Pili und DNA Rekombination eine Rolle spielen. Allerdings konnten keine Induktionsbedingungen für die sRNA Expression gefunden werden. Interessanterweise konnte eine mögliche Zwillings-sRNA identifiziert werden, die dieselbe Targetinteraktionsdomäne wie NgncR_237 hat und somit dieselben Zielgene regulieren könnte.
Zusammenfassend ermöglicht diese Arbeit neue Einblicke in die Genregulation durch nicht-kodierende RNAs in Gonokokken, indem zwei Paare Zwillings-sRNAs analysiert wurden, die den bakteriellen Stoffwechsel anpassen oder möglicherweise eine Rolle in der Typ IV Pilus Biogenese spielen.
KW  - Neisseria gonorrhoeae
KW  - Non-coding RNA
KW  - Genregulation
KW  - regulation of gene expression
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-245826
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bauriedl, Saskia Corinna
T1  - The influence of riboregulation on fitness and virulence in Neisseria meningitidis
T1  - Der Einfluss der Riboregulation auf Fitness und Virulenz von  Neisseria meningitidis
N2  - Neisseria meningitidis (N. meningitidis) is a human commensal that occasionally causes life-threatening infections such as bacterial meningitis and septicemia. Despite experi-mental evidence that the expression of small non-coding RNAs (sRNAs) as well as the RNA chaperone Hfq affect meningococcal physiology, the impact of RNA-based regula-tion (riboregulation) on fitness and virulence in N. meningitidis is only poorly understood. Therefore, this study addressed these issues using a combination of high-throughput tech-nologies. 
A differential RNA-sequencing (dRNA-seq) approach was applied to produce a single-nucleotide resolution map of the primary transcriptome of N. meningitidis strain 8013. The dRNA-seq analysis predicted 1,625 transcriptional start sites including 65 putative sRNAs, of which 20 were further validated by northern blot analysis. By Hfq RNA im-munopreci-pitation sequencing a large Hfq-centered post-transcriptional regulatory net-work comprising 23 sRNAs and 401 potential mRNA targets was identified. Rifampicin stability assays demonstrated that Hfq binding confers enhanced stability on its associat-ed sRNAs. Based on these data, the interactions of two paralogous sRNAs and their cog-nate target mRNA prpB were validated in vivo as well as in vitro. Both sRNAs directly repress prpB encoding a methylisocitrate lyse which was previously shown to be involved in meningococcal colonization of the human nasopharynx. 
Besides the well-described RNA chaperone Hfq, FinO-domain proteins have recently been recognized as a widespread family of RNA-binding proteins (RBPs) with regulatory roles in diverse bacteria. They display an intriguing bandwidth of target sites, ranging from a single RNA pair as recognized by plasmid-encoded FinO to the global RNA regu-lons of enterobacterial ProQ proteins. To better understand the intrinsic targeting mode of this RBP family, in vivo targets of the minimal ProQ protein of N. meningitidis were de-termined. In vivo UV crosslinking with RNA deep sequencing (UV-CLIP) identified as-sociations of ProQ with 16 sRNAs and 166 mRNAs encoding a variety of biological functions and thus revealed ProQ as another global RBP in meningococci. It could be shown that meningococcal ProQ predominantly binds to highly structured RNA regions including DNA uptake sequences (DUS) and rho-independent transcription terminators and stabilizes many of its RNA targets as proved by rifampicin stability experiments. As expected from the large suite of ProQ-bound RNAs, proQ deletion globally affects both gene and protein expression in N. meningitidis, changing the expression levels of at least 244 mRNAs and 80 proteins. Phenotypic analyses suggested that ProQ promotes oxida-tive stress tolerance and UV damage repair capacity, both of which are required for full virulence of N. meningitidis. 
Together, this work uncovers the co-existence of two major post-transcriptional regulons, one governed by ProQ, the other by Hfq, in N. meningitidis. It further highlights the role of these distinct RBPs and its associated sRNAs to bacterial virulence and indicates that riboregulation is likely to contribute to the way how meningococci adapt to different host niches.
N2  - Neisseria meningitidis (N. meningitidis) ist ein kommensal lebendes Bakterium, welches unter nicht vollständig geklärten Bedingungen auch lebensbedrohliche Infektionen im Menschen wie bakterielle Meningitis und Sepsis verursachen kann. Obwohl experimentell nachgewiesen wurde, dass die Expression kleiner, nicht kodierender RNAs (sRNAs) so-wie des RNA-Chaperons Hfq in Meningokokken physiologisch relevant ist, blieb der Ein-fluss der RNA-basierten Genregulation (Riboregulation) auf die Fitness und Virulenz von N. meningitidis bisher unvollständig verstanden. Daher befasste sich diese Studie durch Kombination verschiedener Hochdurchsatz-Technologien mit dieser Fragestellung. 
Es wurde differentielle RNA-Sequenzierung (dRNA-seq) angewendet, um das primäre Transkriptom des N. meningitidis Stamms 8013 möglichst genau zu kartieren. Die durch-geführte dRNA-seq-Analyse detektierte 1.625 Transkriptionsstartstellen (TSS) einschließ-lich 65 potentieller sRNAs. Durch Anwendung von Northern-Blot-Analysen konnten an-schließend 20 sRNAs experimentell validiert werden. Darüber hinaus wurde durch Ko-Immunopräzipitation mit Hfq (RIP-seq) ein großes, Hfq-zentriertes, post-         transkripti-onelles regulatorisches Netzwerk identifiziert, welches 23 sRNAs und 401 mRNAs um-fasst. Rifampicin-Stabilitätsversuche zeigten, dass durch Hfq-Bindung die Stabilität die-ser sRNAs erhöht wird. Basierend auf diesen Daten konnte die Interaktion zwischen zweier Hfq-gebundener paraloger sRNAs und der prpB mRNA sowohl in vivo als auch in vitro bestätigt werden. Beide sRNAs reprimieren die Translation des PrpB-Genes, wel-ches für eine Methylisocitratlyase kodiert und wahrscheinlich die Kolonisation des menschlichen Nasopharynxs durch Meningokokken begünstigt. 
Neben dem ausführlich charakterisierten RNA-Chaperon Hfq wurden Proteine mit FinO-Domäne kürzlich als eine neue Familie von RNA-bindenden Proteinen (RBPs) mit regula-torischen Funktionen in verschiedenen Bakterien identifiziert. Sie weisen eine große Bandbreite regulierter Gene auf: Während das Plasmid-kodierte FinO-Protein nur ein ein-zelnes RNA-Paar bindet, stellt das enterobakterielle ProQ-Protein ein globales RBP dar. Um die Wirkungsweise dieser RBP-Familie besser zu verstehen, wurde in vivo untersucht, wie viele RNAs mit dem minimalen ProQ-Protein in N. meningitidis assoziiert sind. Durch Kombination von UV-Crosslinken mit RNA-Sequenzierung (UV-CLIP) konnte die Bin-dung von 16 sRNAs und 166 biologisch diverser mRNAs mit ProQ identifiziert werden, welches daher ebenfalls ein globales RBP in Meningokokken darstellt. Es konnte gezeigt werden, dass ProQ vorwiegend RNA-Regionen mit ausgeprägter Sekundärstruktur bin-det, darunter DNA-Aufnahmesequenzen (DUS) und Rho-unabhängige Transkriptions-terminatoren. Die ProQ-Bindung führt dabei häufig zur Stabilisation der RNAs, was durch Rifampicin-Stabilitätsexperimente nachgewiesen wurde. Wie aufgrund der großen Zahl ProQ-gebundener RNAs zu erwarten, beeinflusste die Deletion des ProQ Proteins die zelluläre Expression von mindestens 244 mRNAs und 80 Proteinen. Phänotypische Analysen deuten darauf hin, dass ProQ sowohl die Toleranz gegenüber oxidativem Stress als auch die Reparatur von DNA-Schäden reguliert, die beide für die vollständige Viru-lenz von N. meningitidis von Bedeutung sind. 
Zusammenfassend beschreibt diese Arbeit die Koexistenz von zwei großen posttranskrip-tionellen Regulons in N. meningitidis, von denen eines von ProQ und das andere von Hfq kontrolliert wird. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Rolle beider RBPs und ihrer assozi-ierten sRNAs für die bakterielle Virulenz verdeutlicht und hervorgehoben, dass Riboregu-lation sehr wahrscheinlich dazu beiträgt, wie sich Meningokokken an verschiedene Wirts-nischen anpassen.
KW  - Neisseria meningitidis
KW  - Small non-messenger RNS
KW  - Hfq
KW  - ProQ
KW  - Non-coding RNA
KW  - High throughput screening
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-192978
ER  - 
TY  - THES
A1  - Horn, Jessica
T1  - Molecular and functional characterization of the long non-coding RNA SSR42 in \(Staphylococcus\) \(aureus\)
T1  - Molekulare und funktionelle Charakterisierung der langen nicht-kodierenden RNA SSR42 in \(Staphylococcus\) \(aureus\)
N2  - Staphylococcus aureus asymptomatically colonizes the skin and anterior nares of 20-30% of the healthy human population. As an opportunistic human pathogen it elicits a variety of infections ranging from skin and soft tissue infections to highly severe manifestations such as pneumonia, endocarditis and osteomyelitis. Due to the emergence of multi resistant strains, treatment of staphylococcal infections becomes more and more challenging and the WHO therefore classified S. aureus as a “superbug”. The variety of diseases triggered by S. aureus is the result of a versatile expression of a large set of virulence factors. The most prominent virulence factor is the cytotoxic and haemolytic pore-forming α-toxin whose expression is mediated by a complex regulatory network involving two-component systems such as the agr quorum-sensing system, accessory transcriptional regulators and alternative sigma-factors. However, the intricate regulatory network is not yet understood in its entirety. Recently, a transposon mutation screen identified the AraC-family transcriptional regulator ‘Repressor of surface proteins’ (Rsp) to regulate haemolysis, cytotoxicity and the expression of various virulence associated factors. Deletion of rsp was accompanied by a complete loss of transcription of a 1232 nt long non-coding RNA, SSR42. 
This doctoral thesis focuses on the molecular and functional characterization of SSR42. By analysing the transcriptome and proteome of mutants in either SSR42 or both SSR42 and rsp, as well as by complementation of SSR42 in trans, the ncRNA was identified as the main effector of Rsp-mediated virulence. Mutants in SSR42 exhibited strong effects on transcriptional and translational level when compared to wild-type bacteria. These changes resulted in phenotypic alterations such as strongly reduced haemolytic activity and cytotoxicity towards epithelial cells as well as reduced virulence in a murine infection model. Deletion of SSR42 further promoted the formation of small colony variants (SCV) during long term infection of endothelial cells and demonstrated the importance of this molecule for intracellular bacteria. The impact of this ncRNA on staphylococcal haemolysis was revealed to be executed by modulation of sae mRNA stability and by applying mutational studies functional domains within SSR42 were identified. 
Moreover, various stressors modulated the transcription of SSR42 and antibiotic challenge resulted in SSR42-dependently increased haemolysis and cytotoxicity. Transcription of SSR42 itself was found under control of various important global regulators including AgrA, SaeS, CodY and σB, thereby illustrating a central position in S. aureus virulence gene regulation. 
The present study thus demonstrates SSR42 as a global virulence regulatory RNA which is important for haemolysis, disease progression and adaption of S. aureus to intracellular conditions via formation of SCVs.
N2  - Staphylococcus aureus kolonisiert asymptomatisch als Kommensal die Haut und Nasenschleimhäute von circa 20-30% der gesunden Weltbevölkerung. Als opportunistisches Humanpathogen löst S. aureus dagegen eine Reihe von Krankheiten aus, die von leichten Hautinfektionen und Abszessen bis hin zu schwerwiegenden und lebensbedrohlichen Krankheitsformen wie Pneumonie, Endokarditis und Osteomyelitis reichen können. Die Behandlung von Staphylokokken-Infektionen stellt aufgrund der Entstehung multi-resistenter Stämme vermehrt eine Herausforderung dar, weshalb S. aureus von der WHO als „superbug“ klassifiziert wurde. Die Vielzahl an möglichen Krankheitsformen sind das Ergebnis der anpassungsfähigen und koordinierten Expression einer Vielzahl von Virulenzfaktoren. Der dabei wohl bedeutendste und am besten charakterisierte Virulenzfaktor ist das porenbildende α-toxin, dessen zytotoxische und hämolytische Aktivität für eine Reihe diverser Krankheiten verantwortlich ist. Die Expression dieses Toxins wird durch ein komplexes, bis jetzt noch nicht komplett verstandenes, regulatorisches Netzwerk gesteuert, das sowohl Zwei-Komponentensysteme wie das agr Quorum-sensing System, diverse akzessorische transkriptionelle Regulatoren sowie alternative Sigmafaktoren beinhaltet. Kürzlich wurde in einem Transposon-Mutanten-Screen der AraC-Familie transkriptionelle Regulator „Repressor of surface proteins” (Rsp) identifiziert, der die Expression diverser Virulenz-assoziierter Faktoren beeinflusste. Eine Deletion von rsp ging, neben reduzierter Hämolyse und Zytotoxizität, auch mit dem kompletten Verlust der Transkription einer 1232 nt langen nicht-kodierenden RNA, SSR42, einher. 
Diese Doktorarbeit befasst sich mit der molekularen und funktionellen Charakterisierung dieser nicht-kodierenden RNA. Mittels Transkriptom- und Proteomanalysen wurden eine SSR42 Deletionsmutante sowie eine Doppelmutante in SSR42 und rsp charakterisiert und SSR42 als Hauptfaktor der Rsp-vermittelten Virulenzregulation identifiziert. Neben weitreichenden Veränderungen auf trans-kriptioneller und translationaler Ebene wiesen Mutanten in SSR42 eine stark reduzierte hämolytische und zytotoxische Aktivität sowie verringerte Virulenz in einem murinen Infektionsmodell auf. Eine Deletion von SSR42 begünstigte weiterhin die Bildung von sog. „small colony variants“ während Langzeit-Infektionen von Endothelzellen und demonstrierte die Bedeutung dieser nicht-codierenden RNA für intrazelluläre Staphylokokken. Die regulatorische Wirkung von SSR42 auf die hämolytische Aktivität von S. aureus wurde in dieser Arbeit aufgeklärt. Dabei konnte ein stabilisierender Einfluss der nicht-kodierenden RNA auf sae mRNA nachgewiesen werden. Weiterhin wurde SSR42 durch Mutagenese-Studien auf molekularer Ebene charakterisiert, wobei funktionelle und stabilisierende Domänen identifiziert wurden.
Ebenso wurden in dieser Arbeit diverse Stressoren und Antibiotika erfasst, die eine modulatorische Wirkung auf die Transkription von SSR42 ausüben. Neben einer Erhöhung der Transkription von SSR42 resultierte eine Behandlung von S. aureus mit sub-inhibitorischen Konzentrationen von Antibiotika in einer drastischen, SSR42-abhängigen, Steigerung der hämolytischen und zytotoxischen Aktivität. Mithilfe von Promotoraktivitätsstudien wurde der Einfluss diverser Regulatoren wie AgrA, SaeS, CodY und σB auf die transkriptionellen Regulation von SSR42 identifiziert und SSR42 somit eine zentrale Rolle in der Regulation von Virulenzgenen verliehen. 
SSR42 wurde demnach als ein neuartiger globaler Regulator identifiziert, der eine wichtige Rolle für Hämolyse, den Krankheitsverlauf sowie bei der Anpassung an intrazelluläre Bedingungen, über die Bildung von „small colony variants“, spielt.
KW  - Staphylococcus aureus
KW  - Non-coding RNA
KW  - SSR42
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-175778
ER  - 
TY  - THES
A1  - Lerch, Maike Franziska
T1  - Characterisation of a novel non-coding RNA and its involvement in polysaccharide intercellular adhesin (PIA)-mediated biofilm formation of \(Staphylococcus\) \(epidermidis\)
T1  - Charakterisierung einer neuen nicht-kodierenden RNA und deren Beteiligung an der PIA-vermittelten Biofilmbildung von \(Staphylococcus\) \(epidermidis\)
N2  - Coagulase-negative staphylococci, particularly Staphylococcus epidermidis, have been recognised as an important cause of health care-associated infections due to catheterisation, and livestock-associated infections. The colonisation of indwelling medical devices is achieved by the formation of biofilms, which are large cell-clusters surrounded by an extracellular matrix. This extracellular matrix consists mainly of PIA (polysaccharide intercellular adhesin), which is encoded by the icaADBC-operon. The importance of icaADBC in clinical strains provoking severe infections initiated numerous investigations of this operon and its regulation within the last two decades. The discovery of a long transcript being located next to icaADBC, downstream of the regulator gene icaR, led to the hypothesis of a possible involvement of this transcript in the regulation of biofilm formation (Eckart, 2006). Goal of this work was to characterise this transcript, named ncRNA IcaZ, in molecular detail and to uncover its functional role in S. epidermidis. 
The ~400 nt long IcaZ is specific for ica-positive S. epidermidis and is transcribed in early- and mid-exponential growth phase as primary transcript. The promotor sequence and the first nucleotides of icaZ overlap with the 3' UTR of the preceding icaR gene, whereas the terminator sequence is shared by tRNAThr-4, being located convergently to icaZ. Deletion of icaZ resulted in a macroscopic biofilm-negative phenotype with highly diminished PIA-biofilm. Biofilm composition was analysed in vitro by classical crystal violet assays and in vivo by confocal laser scanning microscopy under flow conditions to display biofilm formation in real-time. The mutant showed clear defects in initial adherence and decreased cell-cell adherence, and was therefore not able to form a proper biofilm under flow in contrast to the wildtype. Restoration of PIA upon providing icaZ complementation from plasmids revealed inconsistent results in the various mutant backgrounds. 
To uncover the functional role of IcaZ, transcriptomic and proteomic analysis was carried out, providing some hints on candidate targets, but the varying biofilm phenotypes of wildtype and icaZ mutants made it difficult to identify direct IcaZ mRNA targets. Pulse expression of icaZ was then used as direct fishing method and computational target predictions were executed with candidate mRNAs from aforesaid approaches. The combined data of these analyses suggested an involvement of icaR in IcaZ-mediated biofilm control. Therefore, RNA binding assays were established for IcaZ and icaR mRNA. A positive gel shift was maintained with icaR 3' UTR and with 5'/3' icaR mRNA fusion product, whereas no gel shift was obtained with icaA mRNA. From these assays, it was assumed that IcaZ regulates icaR mRNA expression in S. epidermidis. S. aureus instead lacks ncRNA IcaZ and its icaR mRNA was shown to undergo autoregulation under so far unknown circumstances by intra- or intermolecular binding of 5' UTR and 3' UTR (Ruiz de los Mozos et al., 2013). Here, the Shine-Dalgarno sequence is blocked through 5'/3' UTR base pairing and RNase III, an endoribonuclease, degrades icaR mRNA, leading to translational blockade. In this work, icaR mRNA autoregulation was therefore analysed experimentally in S. epidermidis and results showed that this specific autoregulation does not take place in this organism. An involvement of RNase III in the degradation process could not be verified here. GFP-reporter plasmids were generated to visualise the interaction, but have to be improved for further investigations.
In conclusion, IcaZ was found to interact with icaR mRNA, thereby conceivably interfering with translation initiation of repressor IcaR, and thus to promote PIA synthesis and biofilm formation. In addition, the environmental factor ethanol was found to induce icaZ expression, while only weak or no effects were obtained with NaCl and glucose. Ethanol, actually is an ingredient of disinfectants in hospital settings and known as efficient effector for biofilm induction. As biofilm formation on medical devices is a critical factor hampering treatment of S. epidermidis infections in clinical care, the results of this thesis do not only contribute to better understanding of the complex network of biofilm regulation in staphylococci, but may also have practical relevance in the future.
N2  - Koagulase-negative Staphylokokken besiedeln die menschliche und tierische Haut, sowie die Schleimhäute. Durch Läsionen oder das Einbringen von medizinischen Instrumenten wie Kathetern gelangen sie in tiefere Hautschichten oder die Blutbahn und können dort schwerwiegende Infektionen auslösen, vor Allem bei Risikopersonen. Besonders Staphylococcus epidermidis hat sich als Verursacher von nosokomialen Infektionen, aber auch als Pathogen in der Tierhaltung etabliert. Die Bakterien bilden bei der Besiedlung sogenannte Biofilme aus (d.h. eine Akkumulation der Keime, die von einer extrazellulären Matrix umgeben sind). Diese Matrix besteht neben Proteinen und eDNA hauptsächlich aus einem Polysaccharid, dem interzellulären Adhäsin PIA (engl.: polysaccharide intercellular adhesin). Dieses wird durch die Ica-Proteine synthetisiert, die im icaADBC-Operon (engl.: intercellular adhesin operon) kodiert sind. Das Operon hat große Bedeutung in klinischen Stämmen und wurde daher innerhalb der letzten beiden Jahrzehnte eingehend untersucht, auch im Hinblick auf seine Regulation. In der unmittelbaren Umgebung des icaADBC-Operons, stromabwärts des icaR Gens, das für den Repressor des ica-Operons (IcaR) kodiert, wurde ein großes Transkript identifiziert, von dem vermutet wird, dass es möglicherweise an der Regulation der Biofilmbildung beteiligt ist (Eckart, 2006). Ziel dieser Arbeit war es, dieses Transkript zu charakterisieren und seine Funktion in S. epidermidis aufzudecken.
Die nicht-kodierende RNA, genannt IcaZ, hat eine Länge von ~400 nt und ist spezifisch für ica-positive S. epidermidis. Sie wird in der frühen bis mittleren exponentiellen Phase temperaturabhängig exprimiert. Stromaufwärts überlappt das icaZ-Gen und dessen Promotor mit der 3' UTR vom icaR-Gen. Stromabwärts wird das icaZ-Gen vom einem Transkriptionsterminator begrenzt, der auch für das tRNAThr-4-Gen benutzt wird, das auf dem gegenüberliegenden Strang in Richtung des icaZ-Gens lokalisiert ist. Die Deletion der RNA führte zu einem makroskopisch sichtbaren Biofilm-negativen Phänotyp mit deutlich verminderter PIA Bildung. Die Biofilmzusammensetzung wurde in vitro mittels eines klassischen Kristallviolett-Assays gemessen und die Biofilmbildung in vivo in Echtzeit mittels konfokaler Mikroskopie (CLSM) betrachtet. Dabei wurde mit einer peristaltischen Pumpe ein Mediumfluss appliziert. Die Mutante zeigte klare Defekte in der initialen Adhärenz und in der Zell-Zell Adhäsion. Sie bildete im Gegensatz zum Wildtyp keinen strukturierten Biofilm aus. Zur Komplementierung des Biofilms wurde die IcaZ von einem Plasmid exprimiert und die Biofilmzusammensetzung nach 18-20 Stunden Wachstum gemessen. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen in den verschiedenen Mutanten waren nicht eindeutig.
Um die Funktion von IcaZ aufzudecken, wurden Transkriptom- und Proteomvergleiche zwischen Wildtyp und Mutante gemacht. Diese lieferten einige Hinweise, aber da der metabolische Unterschied eines Biofilmbildners zu einem Nicht-Biofilmbildner zu groß war, wurde eine direktere Methode angewandt, die induzierte Expression (Pulsexpression). Zudem wurden potentielle Interaktionspartner der IcaZ mittels computer-basierter Bindungsvorhersagen analysiert. Die icaR mRNA kristallisierte sich dabei als Target heraus und die Interaktion zwischen IcaZ und icaR mRNA wurde mit Gelshift-Assays (EMSA) untersucht. Eine Bandenverschiebung wurde mit icaR 3' UTR und mit dem icaR-5'-3' UTR-Fusionsprodukt detektiert, wohingegen keine Interaktion zwischen IcaZ und icaA mRNA stattfand. Aufgrund dieser Assays wurde vermutet, dass IcaZ die Translation von icaR in S. epidermidis reguliert. In S. aureus fehlt die nicht-kodierende RNA IcaZ und für icaR mRNA wurde eine Autoregulation gezeigt, bei der die icaR 5' UTR mit der icaR 3' UTR intramolekular oder intermolekular durch Basenpaarung interagiert, wodurch die Shine-Dalgarno Sequenz blockiert wird und es aufgrund dessen zu einer Hemmung der Translation kommt. Die Umweltfaktoren, die dazu führen sind bisher unbekannt. Der Komplex wird durch eine Endoribonuklease, RNase III, abgebaut (Ruiz de los Mozos et al., 2013). In S. epidermidis wurde eine solche Interaktion theoretisch ausgeschlossen. Experimentelle Analysen dieser Arbeit haben gezeigt, dass diese Autoregulation in S. epidermidis nicht stattfinden kann und es wird angenommen, dass IcaZ diese Regulation übernimmt. Um die Interaktion zu visualisieren wurden GFP-Reporter Plasmide generiert, die aber für weitere Experimente noch zu verbessern sind.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass IcaZ mit der icaR mRNA interagiert, was höchstwahrscheinlich zu einer Hemmung der Translation des Repressors IcaR führt und damit letztlich PIA-Synthese und Biofilmbildung positiv reguliert. Zusätzlich wurde gefunden, dass Ethanol die Expression der IcaZ-RNA induziert, während NaCl nur schwache Effekte zeigte und Glucose keinen Einfluss auf die Expression von icaZ hatte. Ethanol ist ein Bestandteil von Desinfektionsmitteln, die in Krankenhäusern verwendet werden und ist bekannt dafür Biofilmbildung auszulösen. Da die Bildung von Biofilmen auf medizinischen Geräten kritisch ist und diese die Behandlung von S. epidermidis Infektionen erschweren, tragen die Ergebnisse dieser Arbeit nicht nur zu einem besseren Verständnis des komplexen Netzwerks der Biofilmregulation bei, sondern haben möglicherweise auch praktischen Nutzen in der Zukunft.
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Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-155777
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