TY  - THES
A1  - Das, Sudip
T1  - Genome-wide identification of virulence-associated genes in Staphylococcus aureus using Transposon insertion-site deep sequencing
T1  - Genomweite Identifizierung Virulenz-assoziierter Gene in Staphylococcus aureus mittels Transposon-Sequenzierung
N2  - Staphylococcus aureus asymptomatically colonises one third of the healthy human population, finding its niche in the nose and on skin. Apart from being a commensal, it is also an important opportunistic human pathogen capable of destructing tissue, invading host cells and killing them from within. This eventually contributes to severe hospital- and community-acquired infections. Methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA), resistant to commonly used antibiotics are protected when residing within the host cell.
This doctoral thesis is focused on the investigation of staphylococcal factors governing intracellular virulence and subsequent host cell death. To initiate an unbiased approach to conduct this study, complex S. aureus mutant pools were generated using transposon insertional mutagenesis. Genome-wide infection screens were performed using these S. aureus transposon mutant pools in vitro and in vivo, followed by analysis using Transposon insertion site deep sequencing (Tn-seq) technology.
Amongst several other factors, this study identified a novel regulatory system in S. aureus that controls pathogen-induced host cytotoxicity and intra-host survival. The primary components of this system are an AraC-family transcription regulator called Repressor of surface proteins (Rsp) and a virulence associated non-coding RNA, SSR42. Mutants within rsp exhibit enhanced intra-host survival in human epithelial cells and delayed host cytotoxicity. Global gene-expression profiling by RNA-seq demonstrated that Rsp controls the expression of SSR42, several cytotoxins and other bacterial factors directed against the host immune system. Rsp enhances S. aureus toxin response when triggered by hydrogen peroxide, an antimicrobial substance employed by neutrophils to destroy pathogens. Absence of rsp reduces S. aureus-induced neutrophil damage and early lethality during mouse pneumonia, but still permits blood stream infection. Intriguingly, S. aureus lacking rsp exhibited enhanced survival in human macrophages, which hints towards a Trojan horse-like phenomenon and could facilitate dissemination within the host.
Hence, Rsp emerged as a global regulator of bacterial virulence, which has an impact on disease progression with prolonged intra-cellular survival, delayed-lethality but allows disseminated manifestation of disease. Moreover, this study exemplifies the use of genome-wide approaches as useful resources for identifying bacterial factors and deduction of its pathogenesis.
N2  - Staphylococcus aureus ist ein fakultativ pathogener Kommensale des Menschen und besiedelt bei etwa einem Drittel der Bevölkerung überwiegend den Nasen-Rachenraum sowie die Haut ohne klinische Symptome auszulösen. Darüber hinaus zählen diese Bakterien zu den wichtigsten Vertretern der Kranken- hauskeime, die schwerwiegende Infektionen besonders im Bereich der Intensivstationen in 
Kranken- häusern hervorrufen können. Methicillin-resistente Staphylococcus aureus (MRSA) sind dabei 
resistent gegen übliche Antibiotika und daher schlecht therapierbar. Neuere Forschungsarbeiten zeigten, dass S. aureus von Zellen des Wirts aufgenommen wird und diese von innen heraus abzutöten vermag. Über die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen dieser Zelltoxizität ist jedoch nicht viel bekannt.
In der vorliegenden Arbeit sollten daher Faktoren von S. aureus identifiziert und charakterisiert wer- den, die die intrazelluläre Virulenz des Bakteriums und das darauf folgende Absterben der Wirtszelle beeinflussen. Dafür wurden mittels Transposon-Insertionsmutagenese S. aureus 
Mutanten-Bibliotheken erstellt, welche für genomweite Infektionsscreens in vitro und in vivo genutzt wurden. Die Auswertung dieser Analysen erfolgte dabei durch Hochdurchsatz-Sequenzierung der Transposon-Insertionsstellen (Tn-seq). In diesen Studien wurde neben zahlreichen bakteriellen Faktoren ein neuartiges Virulenzreg- ulator - System identifiziert. Dieses System besteht aus dem Transkriptionsregulator der AraC-Familie Repressor of surface proteins (Rsp) und einer 
nicht-kodierenden RNA, SSR42. rsp-Mutanten zeigten eine erhöhte intrazelluläre Überlebensrate in menschlichen Epithelzellen sowie eine verzögerte Cytotoxizität im Wirt. Durch RNA-Sequenzierung (RNA-seq) wurde der Einfluss von Rsp auf die globale Genexpres- sion ermittelt. Dabei zeigte sich, dass Rsp die Expression von SSR42, sowie Cytotoxinen und anderen immunmodulatorischen Faktoren von S. aureus kontrolliert. Wasserstoffperoxid, ein Molekül, welches durch Neutrophile zur Bekämpfung 
von Pathogenen gebildet wird, führt dabei Rsp-abhängig zu einer Erhöhung der bakteriellen Toxinproduktion.  Die Abwesenheit von Rsp in bakteriellen Mutanten res- ultiert in einer Reduktion S. aureus-induzierter Zerstörung von Neutrophilen sowie zum Überleben von Versuchstieren im 
Lungeninfektionsmodell. Eine systemische Infektion ist dabei jedoch weiterhin mög- lich. 
Interessanterweise führt ein Fehlen des rsp zu einer erhöhten Überlebensrate von Makrophagen, welches auf eine Verbreitung der Bakterien im Organismus in diesem Zelltyp hindeuten könnte.
Rsp ist demnach ein neuartiger globaler Regulator bakterieller Virulenz, der zwar die infektions-
bedingte Letalität verzögert, jedoch damit eine Disseminierung der Infektion mit S. aureus 
begünstigt.
KW  - Staphylococcus aureus
KW  - Transposon
KW  - insertion-site deep sequencing
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-143362
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TY  - THES
A1  - Garcia Betancur, Juan Carlos
T1  - Divergence of cell-fates in multicellular aggregates of \(Staphylococcus\) \(aureus\) defines acute and chronic infection cell types
T1  - Divergenz von Zelldifferenzierung in multizellulären Aggregaten von \(Staphylococcus\) \(aureus\) grenzt Zelllinien für akute und chronische Infektionen voneinander ab
N2  - Staphylococcus aureus is a versatile human pathogen that normally develops acute or chronic infections. The broad range of diseases caused by this bacterium facilitates the escape from the host's immune response as well as from target-specific antimicrobial therapies. Nevertheless, the underlying cellular and molecular mechanisms that enable S. aureus to cause these disparate types of infections are largely unknown. In this work, we depicted a novel genetic program involved in the development of cell-fate decision, which promotes the differentiation of the staphylococcal cells into two genetically identical but differently heritable cell lines capable of defining the course of an infection, by simultaneously progressing to (i) a biofilm-associated chronic infection or (ii) a disperse acute bacteremia. Here, S. aureus growing in architecturally complex multicellular communities harbored different cell types that followed an exclusive developmental plan, resulting in a clonal heterogeneous population. We found that these cell types are physiologically specialized and that, this specialization impacts the collective behavior within the multicellular aggregates. Whereas one cell line that we named BRcells, promotes biofilm formation that engenders chronic infections, the second cell line, which we termed DRcells is planktonic and synthetizes virulence factors, such as toxins that can drive acute bacteremia. We identified that the positive feedback loop present in Agr quorum sensing system of S. aureus acts a bimodal switch able to antagonistically control the divergence of these two physiologically distinct, heritable cell lines. Also, we found that this bimodal switch was triggered in response to environmental signals particularly extracellular Mg2+, affecting the size of the subpopulations in specific colonization environments. Specifically, Mg2+-enriched environments enhanced the binding of this cation to the staphylococcal teichoic acids, increasing the rigidity of the cell wall and triggering a genetic program involving the alternative sigma factor σB that downregulated the Agr bimodal switch, favoring the enrichment of the BRcells type. Therefore, colonization environments with different Mg2+ content favored different outcomes in the bimodal system, defining distinct ratio in the BRcells/DRcells subpopulations and the S. aureus outcome in our in vitro model of development of multicellular aggregates and, the infection outcome in an in vivo mice infection model. In this prime human pathogen cell-fate decision-making generates a conserved pattern of heritable, physiological heterogeneity that actively contributes to determine the course of an infection through the emergence and spatio-temporal dynamics of distinct and specialized cell types. In conclusion, this work demonstrates that cell differentiation in pathogenic bacteria is a fundamental phenomenon and its understanding, is central to understand nosocomial infections and to designing new anti-infective strategies
N2  - Staphylococcus aureus ist ein wandlungsfähiges humanes Pathogen, das im Allgemeinen akute oder chronische Infektionen entwickelt. Das breite Spektrum von Krankheiten, die von diesem Bakterium verursacht werden, erleichtert es, sowohl der Immunantwort des Wirts als auch gezielten antimikrobiellen Therapien zu entgehen. Dennoch sind die zellulären und molekularen Mechanismen, die S. aureus die Entwicklung dieser verschiedenartigen Infektionsarten ermöglichen, weitgehend unbekannt. In dieser Arbeit beschreiben wir ein neues genetisches Programm, das bei der Entwicklung der Zelldifferenzierung beteiligt ist und die Differenzierung der Staphylokokken-Zellen in zwei genetisch identische, aber unterschiedliche, erbliche Zelllinien fördert. Diese können den Verlauf einer Infektion bestimmen, indem sie sich gleichzeitig entwickeln zu (i) einer Biofilm-assoziierten chronischen Infektion oder (ii) einer sich ausbreitenden akuten Bakteriämie. Hier verbirgt S. aureus, der in architektonisch komplexen multizellulären Bakteriengemeinschaften wächst, verschiedene Zelltypen, die einem einzigartigen Entwicklungsplan folgen, resultierend in einer klonal heterogenen Population. Wir haben festgestellt, dass diese Zellzypen physiologisch spezialisiert sind, und dass diese Spezialisierung das kollektive Verhalten innerhalb der multizellulären Aggregate beeinflusst. Während eine Zelllinie, die wir als BRcells benennen, Biofilm-Bildung fördert, was chronische Infektionen erzeugt, ist die zweite Zelllinie, als DRcells bezeichnet, planktonisch und synthetisiert Virulenzfaktoren wie Toxine, die eine akute Bakteriämie verursachen können. Wir haben identifiziert, dass die im Agr Quorum sensing System von S. aureus vorhandene positive Rückkopplung als bimodaler Schalter agiert, der antagonistisch die Divergenz dieser beiden physiologisch unterschiedlichen, vererbbaren Zelllinien kontrolliert. Wir haben auch gefunden, dass dieser bimodale Schalter durch Signale aus der Umgebung ausgelöst wird, insbesondere durch extrazelluläres Mg2+, wodurch die Größe der Subpopulationen in spezifischen Kolonisierungsumgebungen beeinflusst wird. Besonders Mg2+-angereicherte Umgebungen fördern die Bindung dieses Kations mit den Teichonsäuren von Staphylokokken, welche die Steifigkeit der Zellwand erhöhen und ein genetisches Programm initialisieren, welches den alternativen Sigmafaktor σB beinhaltet. Dieser regelt den bimodalen Agr Schalter herunter und begünstigt die Anreicherung des Brcells Zelltyps. Daher begünstigen verschiedene Kolonisierungsumgebungen mit verschiedenem Mg2+ Gehalt unterschiedliche Ergebnisse im bimodalen System, welche sich in individuellen Verhältnissen der Brcells/Drcells Subpopulationen und dem Ergebnis für S. aureus – sowohl in unserem in vitro Modell der Entwicklung multizellulärer Aggregate als auch der Entzündungsentwicklung in einem in vivo Maus-Infektionsmodell. In diesem primären Humanpathogen generiert die Zelldifferenzierung ein bleibendes Muster von vererbbarer, physiologischer Heterogenität, die aktiv dazu beiträgt, den Infektionsverlauf durch das Auftreten und die räumlich-zeitliche Dynamik verschiedener spezialisierter Zelltypen zu bestimmen. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit, dass Zelldifferenzierung in pathogenen Bakterien ein grundlegendes Phänomen ist. Diese zu erfassen ist zentral für das Verständnis nosokomialer Infektionen und die Konzeption neuer Strategien gegen Infektionen.
KW  - Staphylococcus aureus
KW  - Zelldifferenzierung
KW  - Pathogenität
KW  - Biofilm
KW  - Cell differentiation
KW  - Multicellular aggregates
KW  - Biofilms
KW  - Multizellulären Bakteriengemeinschaften
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-148059
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A1  - Mielich-Süß, Benjamin
T1  - Elucidating structural and functional aspects of prokaryotic membrane microdomains
T1  - Aufklärung struktureller und funktioneller Aspekte von prokaryotischen Membranmikrodomänen
N2  - Bacterial functional membrane microdomains (FMMs) are membrane platforms that resemble lipid rafts of eukaryotic cells in certain functional and structural aspects. Lipid rafts are nanometer-sized, dynamic clusters of proteins and lipids in eukaryotic cell membranes that serve as signaling hubs and assembling platforms. Yet, studying these structures can often be hampered by the complexity of a eukaryotic cell. Thus, the analogous structures of prokaryotes are an attractive model to study molecular traits of this type of membrane organization. 
Similar to eukaryotic lipid rafts, the bacterial FMMs are comprised of polyisoprenoid lipids, scaffold proteins and a distinct set of membrane proteins, involved in signaling or secretion. Investigating bacterial FMMs not only contributes to the understanding of the physiological importance of FMMs in bacteria, but also helps to elucidate general principles of rafts beyond prokaryotes. 
In this work, a bacterial model organism was used to investigate effects of synthetic overproduction of the raft scaffolding proteins on bacterial physiology. This overexpression causes an unusual stabilization of the FMM-harbored protease FtsH and therefore the proteolytic targets of FtsH are not correctly regulated. Developmental defects and aberrances in shape are the consequence, which in turn negatively affects cell physiology. These findings may be adapted to better understand lipid raft processes in humans, where flotillin upregulation is detected along with development of neurological diseases.
Moreover, it was aimed at understanding the FMM-proteome of the human pathogen Staphylococcus aureus. An in-depth quantitative mass-spectrometry analysis reveals adaption of the protein cargo during different conditions, while maintaining a distinct set of core FMM proteins. As a case study, the assembly of the type VII secretion system was shown to be dependent on FMM integrity and more specifically on the activity of the FMM-scaffold flotillin. This secretion system is important for the virulence of this pathogen and its secretion efficiency can be targeted by small molecules that inhibit flotillin activity. This opens new venues for non-conventional antimicrobial compounds to treat staphylococcal infections.
N2  - Funktionelle Membranmikrodomänen (FMMs) in Bakterien sind Membranplattformen, die in strukturellen und funktionellen Aspekten mit Lipid Rafts eukaryotischer Zellen vergleichbar sind. Diese Nanometer-großen, dynamischen Protein-/Lipid-Cluster in der eukaryotischen Zellmembran dienen als Signalzentrum und Assemblierungsplattformen. Allerdings ist die Arbeit an diesen Strukturen durch die Komplexität der eukaryotischen Zellen oft eingeschränkt. Daher sind prokayotische Zellen attraktive Modellsysteme, um molekulare Eigenschaften dieser Art von Membranorganisation zu untersuchen. 
Ähnlich wie eukaryotische Lipid Rafts, bestehen FMMs aus polyisoprenoiden Lipiden, Scaffold-Proteinen und bestimmten Membranproteinen, die z.B. an Signalweiterleitung und Sekretion beteiligt sind. Die Untersuchung bakterieller FMMs trägt nicht nur dazu bei, die physiologische Relevanz der FMMs in Bakterien selbst zu verstehen, sondern auch um generelle Membranorganisationsprinzipien aufzuklären, die über Bakterien hinausgehen. 
In dieser Arbeit wurde daher ein bakterieller Modellorganismus benutzt, um Effekte von synthetischer Überproduktion von Raft-assoziierten Scaffold-Proteinen zu untersuchen. Diese Überexpression führt zu einer unüblichen Stabilisierung der Protease FtsH, die in den FMMs zu finden ist, was eine fehlerhafte Regulierung der Zielproteine von FtsH zur Folge hat. Demzufolge sind Entwicklungsdefekte und Anomalien in der Zellform die Konsequenzen, die im Umkehrschluss die Zellphysiologie negativ beeinträchtigen. Diese Ergebnisse können dazu dienen, Lipid-Raft Prozesse in Menschen besser zu verstehen, wo die Hochregulierung von Flotillin im Zusammenhang mit neurologischen Krankheiten steht.
Darüber hinaus zielt diese Arbeit darauf ab, das FMM-Proteom des humanen Pathogenes Staphylococcus aureus besser zu verstehen. Eine detaillierte, quantitative Massenspektrometrieanalyse hat ergeben, dass das Proteincargo der FMMs sich zwar verschiedenen Bedingungen anpasst, aber auch ein bestimmtes Kernproteom in allen getesteten Bedingungen beibehält. Als Fallstudie wurde gezeigt, dass die Assemblierung des Typ VII Sekretionssystems von den FMMs, und im Detail von der Aktivität des Scaffoldproteins Flotillin, abhängig ist. Dieses Sekretionssystem ist wichtig für die Virulenzausbildung dieses Pathogenes und die Sekretionseffizienz kann durch kleine Moleküle verringert werden, die die Aktivität von Flotillin inhibieren. Diese Strategie eröffnet neue Möglichkeiten für die Anwendung unkonventioneller, antimikrobieller Substanzen, um Staphylokokken-Infektionen zu behandeln.
KW  - Staphylococcus aureus
KW  - Heubacillus
KW  - Membranlipide
KW  - Bacillus subtilis
KW  - lipid rafts
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-162037
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