TY - JOUR A1 - Ampattu, Biju Joseph A1 - Hagmann, Laura A1 - Liang, Chunguang A1 - Dittrich, Marcus A1 - Schlüter, Andreas A1 - Blom, Jochen A1 - Krol, Elizaveta A1 - Goesmann, Alexander A1 - Becker, Anke A1 - Dandekar, Thomas A1 - Müller, Tobias A1 - Schoen, Christoph T1 - Transcriptomic buffering of cryptic genetic variation contributes to meningococcal virulence JF - BMC Genomics N2 - Background: Commensal bacteria like Neisseria meningitidis sometimes cause serious disease. However, genomic comparison of hyperinvasive and apathogenic lineages did not reveal unambiguous hints towards indispensable virulence factors. Here, in a systems biological approach we compared gene expression of the invasive strain MC58 and the carriage strain α522 under different ex vivo conditions mimicking commensal and virulence compartments to assess the strain-specific impact of gene regulation on meningococcal virulence. Results: Despite indistinguishable ex vivo phenotypes, both strains differed in the expression of over 500 genes under infection mimicking conditions. These differences comprised in particular metabolic and information processing genes as well as genes known to be involved in host-damage such as the nitrite reductase and numerous LOS biosynthesis genes. A model based analysis of the transcriptomic differences in human blood suggested ensuing metabolic flux differences in energy, glutamine and cysteine metabolic pathways along with differences in the activation of the stringent response in both strains. In support of the computational findings, experimental analyses revealed differences in cysteine and glutamine auxotrophy in both strains as well as a strain and condition dependent essentiality of the (p)ppGpp synthetase gene relA and of a short non-coding AT-rich repeat element in its promoter region. Conclusions: Our data suggest that meningococcal virulence is linked to transcriptional buffering of cryptic genetic variation in metabolic genes including global stress responses. They further highlight the role of regulatory elements for bacterial virulence and the limitations of model strain approaches when studying such genetically diverse species as N. meningitidis. KW - neisseria meningitidis KW - MITE KW - virulenceregulatory evolution KW - systems biology KW - metabolism KW - cryptic KW - genetic variation KW - stringent response KW - relA Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-157534 VL - 18 IS - 282 ER - TY - THES A1 - Hagmann [geb. Kischkies], Laura Violetta T1 - Stringent response regulation and its impact on ex vivo survival in the commensal pathogen \(Neisseria\) \(meningitidis\) T1 - Regulation der stringenten Kontrolle und ihre Auswirkungen auf das ex vivo Überleben des kommensalen Erregers \(Neisseria\) \(meningitidis\) N2 - Neisseria meningitidis is a commensal bacterium which sometimes causes serious disease in humans. Recent studies in numerous human pathogenic bacteria have shown that the stringent response contributes to bacterial virulence. Therefore, this study analyzed the regulation of the stringent response in meningococci and in particular of RelA as well as its contribution to ex vivo fitness in a strain- and condition- dependent manner by using the carriage strain α522 and the hyperinvasive strain MC58 in different in vitro and ex vivo conditions. Growth experiments revealed that both wild-type strains were almost indistinguishable in their ex vivo phenotypes. However, quantitative real time PCR (qRT-PCR) found differences in the gene expression of relA between both strains. Furthermore, in contrast to the MC58 RelA mutant strain α522 deficient in RelA was unable to survive in human whole blood, although both strains showed the same ex vivo phenotypes in saliva and cerebrospinal fluid. Moreover, strain α522 was depended on a short non-coding AT-rich repeat element (ATRrelA) in the promoter region of relA to survive in human blood. Furthermore, cell culture experiments with human epithelial cells revealed that in both strains the deletion of relA resulted in a significantly decreased invasion rate while not significantly affecting adhesion. In order to better understand the conditional lethality of the relA deletion, computational and experimental analyses were carried out to unravel differences in amino acid biosynthetic pathways between both strains. Whereas strain MC58 is able to synthesize all 20 amino acids, strain α522 has an auxotrophy for cysteine and glutamine. In addition, the in vitro growth experiments found that RelA is required for growth in the absence of external amino acids in both strains. Furthermore, the mutant strain MC58 harboring an ATRrelA in its relA promoter region showed improved growth in minimal medium supplemented with L-cysteine and/or L-glutamine compared to the wild-type strain. Contrary, in strain α522 no differences between the wild-type and the ATRrelA deletion mutant were observed. Together this indicates that ATRrelA interferes with the complex regulatory interplay between the stringent response pathway and L-cysteine as well as L-glutamine metabolism. It further suggests that meningococcal virulence is linked to relA in a strain- and condition- depended manner. In conclusion, this work highlighted the role of the stringent response and of non-coding regulatory elements for bacterial virulence and indicates that virulence might be related to the way how meningococci accomplish growth within the host environments. N2 - Neisseria meningitidis ist ein kommensal lebendes, fakultativ pathogenes Bakterium, welches unter nicht vollständig verstandenen Umständen lebensbedrohliche Krankheitsbilder bei Menschen verursacht. Aktuelle Studien haben gezeigt, dass die stringente Antwort einen Einfluss auf die bakterielle Virulenz haben kann. Aus diesem Grund untersucht diese Arbeit die Regulation der stringenten Antwort, insbesondere die Rolle von RelA, sowie den Einfluss der stringenten Antwort auf die Ex-vivo-Fitness der Meningokokken. Die Ergebnisse wurden für den Trägerstamm α522 und den hyperinvasiven Stamm MC58 erhoben und miteinander verglichen. Wachstumsexperimente zeigten, dass sich beide Wildtyp-Stämme in ihren Ex-vivo-Phänotypen nicht unterscheiden. Jedoch wurden mittels quantitativer Echtzeit-PCR (qRT-PCR) Unterschiede zwischen beiden Stämmen in der Genexpression von relA gefunden. Zudem war die α522 relA Mutante im Gegensatz zu der MC58 relA Mutante nicht in der Lage, in menschlichem Vollblut zu überleben. Allerdings zeigten in Saliva und Liquor beide Stämme den gleichen Phänotyp. Außerdem war der Trägerstamm auf eine kurze, nicht-codierende AT-reiche Region (ATRrelA) in der Promotorregion von relA angewiesen, um im menschlichen Blut überleben zu können. Darüber hinaus zeigten Zellkulturexperimente mit humanen Epithelzellen, dass die Deletion relA die Invasionsrate in beiden Stämmen signifikant verringerte, obwohl die Adhäsionsrate durch die Deletion unbeeinflusst blieb. Um besser verstehen zu können, weshalb die Deletion von relA unter bestimmten Bedingungen letal ist, wurden mit In-silico- und experimentellen Analysen nach Unterschieden in den Aminosäurebiosynthesewegen beider Stämme gesucht. Es zeigte sich, dass Stamm MC58 in der Lage ist alle 20 Aminosäuren zu synthetisieren, während Stamm α522 eine Auxotrophie für Cystein und Glutamin aufweist. Ferner zeigten die In-vitro-Wachstumsversuche, dass RelA bei Aminosäuremangel essentiell für beide Stämme ist. Darüber hinaus zeigte eine MC58 Mutante mit einer ATRrelA –Kopie in der relA Promotorregion ein im Vergleich zum Wildtyp-Stamm verbessertes Wachstum in mit L-Cystein und/oder L-Glutamin angereichertem Minimalmedium. Gegensätzlich dazu zeigte der Stamm α522 keine Unterschiede im Wachstum zwischen dem Wildtyp und einer ATRrelA Deletions-Mutante. Dies deutet darauf hin, dass ATRrelA an dem komplexen regulatorischen Zusammenspiel der stringenten Antwort und dem L-Cystein- beziehungsweise dem L-Glutamin-Metabolismus beteiligt ist. Es lässt sich vermuten, dass RelA zu der Virulenz von Meningokokken in einer stamm- und umgebungsspezifischen Weise beiträgt. Abschließend hebt diese Arbeit die Rolle von kleinen regulatorischen Elementen für die bakterielle Virulenz hervor und postuliert, dass die Virulenz der Meningokokken auf ihrer Fähigkeit basiert, sich der durch den Wirt gegebenen Umgebung anzupassen. KW - Neisseria meningitidis KW - Stringente Kontrolle KW - Virulenzfaktor KW - Genregulation KW - Transposon KW - Stringent response KW - RelA KW - MITE KW - Stringente Antwort Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-144352 ER -