TY - JOUR A1 - Groma, Michaela A1 - Horst, Sarah A. A1 - Das, Sudip A1 - Huettel, Bruno A1 - Klepsch, Maximilian A1 - Rudel, Thomas A1 - Medina, Eva A1 - Fraunholz, Martin T1 - Identification of a Novel LysR-Type Transcriptional Regulator in Staphylococcus aureus That Is Crucial for Secondary Tissue Colonization during Metastatic Bloodstream Infection JF - mbio N2 - Staphylococcus aureus is a common cause of bacteremia that can lead to severe complications once the bacteria exit the bloodstream and establish infection in secondary organs. Despite its clinical relevance, little is known about the bacterial factors facilitating the development of these metastatic infections. Here, we used an S. aureus transposon mutant library coupled to transposon insertion sequencing (Tn-Seq) to identify genes that are critical for efficient bacterial colonization of secondary organs in a murine model of metastatic bloodstream infection. Our transposon screen identified a LysR-type transcriptional regulator (LTTR), which was required for efficient colonization of secondary organs such as the kidneys in infected mice. The critical role of LTTR in secondary organ colonization was confirmed using an isogenic mutant deficient in the expression of LTTR. To identify the set of genes controlled by LTTR, we used an S. aureus strain carrying the LTTR gene in an inducible expression plasmid. Gene expression analysis upon induction of LTTR showed increased transcription of genes involved in branched-chain amino acid biosynthesis, a methionine sulfoxide reductase, and a copper transporter as well as decreased transcription of genes coding for urease and components of pyrimidine nucleotides. Furthermore, we show that transcription of LTTR is repressed by glucose, is induced under microaerobic conditions, and required trace amounts of copper ions. Our data thus pinpoints LTTR as an important element that enables a rapid adaptation of S. aureus to the changing host microenvironment. IMPORTANCE Staphylococcus aureus is an important pathogen that can disseminate via the bloodstream and establish metastatic infections in distant organs. To achieve a better understanding of the bacterial factors facilitating the development of these metastatic infections, we used in this study a Staphylococcus aureus transposon mutant library in a murine model of intravenous infection, where bacteria first colonize the liver as the primary infection site and subsequently progress to secondary sites such as the kidney and bones. We identified a novel LysR-type transcriptional regulator (LTTR), which was specifically required by S. aureus for efficient colonization of secondary organs. We also determined the transcriptional activation as well as the regulon of LTTR, which suggests that this regulator is involved in the metabolic adaptation of S. aureus to the host microenvironment found in secondary infection sites. KW - Staphylococcus aureus KW - metabolic adaptation KW - secondary site infection KW - transcriptional regulation Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-230473 VL - 11 IS - 4 ER - TY - THES A1 - Mietrach, Nicole Aline T1 - Structural and functional elucidation of the Type VIIb secretion system from Staphylococcus aureus T1 - Strukturelle und funktionelle Analyse des Typ VIIb Sekretionssystems aus Staphylococcus aureus N2 - The Type VII secretion system (T7SS) is linked to virulence and long-term pathogenesis in a broad range of Gram-positive bacteria, including the human commensal and pathogen Staphylococcus aureus. The Type VIIb secretion system (T7SSb) is responsible for the export of small toxic proteins, which induce antibacterial immune responses and mediate bacterial persistence in the host. In addition, it is also involved in bacterial competition. The T7SSb requires several proteins to build up the secretion machinery. This work focuses on the structural and functional investigation of the motor ATPase EssC and the putative pore forming, multi-pass membrane component EsaA. Both proteins are indispensable for substrate secretion. EssC belongs to the FtsK/SpoIIIE ATPase family and is conserved among the T7SSs. It contains three C-terminal, cytosolic ATPase domains, designated as EssC- D1, -D2 and -D3, whereby EssC-D3 is the most distal one. In this thesis, I am presenting the crystal structure of the EssC-D3 at 1.7 Å resolution. As the deletion of EssC-D3 abrogates substrate export, I have demonstrated that this domain comprises a hydrophobic, surface-exposed pocket, which is required for substrate secretion. More specifically, I have identified two amino acids involved in the secretion process. In addition, my results indicate that not only EssC-D3 is important for substrate interaction but also EssC-D2 and/or EssC-D1. Unlike in the related Yuk T7SSb of Bacillus subtilis, the ATPase activity of D3 domain contributes to substrate secretion. Mutation of the modified Walker B motif in EssC-D3 diminishes substrate secretion completely. The membrane protein EsaA encompasses an extracellular segment spanning through the cell wall of S. aureus. I was able to reveal that this part folds into a stable domain, which was crystallized and diffracted up to 4 Å. The first attempts to dissolve the structure failed due to a lack of homologues structures. Therefore, crystals for single-wavelength anomalous dispersion, containing selenomethionyl-substitutes, were produced and the structure solution is still in progress. Preliminary experiments addressing the function of the extracellular domain indicate an important role in substrate secretion and bacterial competition. N2 - Das Typ VII Sekretionssystem (T7SS) ist wichtig für Virulenz und Langzeit- Pathogenität von Gram-positiven Bakterien. Zu diesen gehört auch Staphylococcus aureus, bekannt als Kommensal und Pathogen im Menschen. Das Typ VIIb Sekretionssystem (T7SSb) exportiert kleine, toxische Proteine, die antibakterielle Immunantworten auslösen und für bakterielle Persistenz verantwortlich sind. Außerdem ist es an dem Konkurrenzkampf zwischen Bakterien beteiligt. Das System benötigt verschiedene Komponenten, um eine Sekretion zu ermöglichen. Diese Doktorarbeit konzentriert sich auf zwei dieser Proteine, die ATPase EssC und das Membranprotein EsaA. Beide Komponenten sind unentbehrlich für eine vollständige Funktionalität. EssC gehört zu der Familie der FtsK/SpoIIIE ATPasen und ist evolutionär in allen T7SSs erhalten. EssC besitzt drei C-terminale, zytosolische ATPase Domänen, bezeichnet als EssC-D1, -D2 und D3, wobei EssC-D3 C-terminal gelegen ist. In dieser Arbeit präsentiere ich die Kristallstruktur der ATPase Domäne EssC-D3, aufgelöst bis zu 1.7 Å. Die Domäne ist unabdingbar für die Sekretion. Durch die Strukturauflösung wurde eine hydrophobe, Oberflächen-exponierte Substrat- Bindetasche bestimmt, die eine essenzielle Rolle für den Export der toxischen Substrate einnimmt. Durch dieses Projekt konnten zwei Aminosäuren in dieser Tasche bestimmt werden, die für den Prozess der Substratsekretion wichtig sind. Weiterhin wurde bewiesen, dass nicht nur EssC-D3, sondern auch die ATPase Domäne EssC-D2 und/oder EssC-D1 mit den Substraten interagieren kann. Im Gegensatz zu dem verwandten T7SSb in Bacillus subtilis, verfügt EssC-D3 über ATPase Aktivität und ermöglicht dadurch den Substratexport. Das Membranprotein EsaA besitzt einen extrazellulären Abschnitt, der sich durch die Zellwand von S. aureus erstreckt. Dieser extrazelluläre Part besteht aus einer stabilen Domäne, welche kristallisiert werden konnte und bis zu 4 Å diffraktiert. Aufgrund von fehlenden homologen Strukturen konnte die Struktur der Domäne noch nicht bestimmt werden. Für die Phasenbestimmung, die wichtig für die Strukturauflösung ist, wurden Kristalle mit Selenomethionyl-Substituten hergestellt. Die Strukturauflösung ist noch nicht beendet. Erste Experimente bezüglich der extrazellulären Domäne zeigen, dass diese ebenfalls wichtig für die Substratsekretion und zusätzlich am Konkurrenzkampf zwischen Bakterien beteiligt ist. KW - Secretion KW - Gram-positive bacteria KW - Type VIIb secretion system KW - Staphylococcus aureus Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-214824 ER - TY - THES A1 - Stelzner, Kathrin T1 - Identification of factors involved in Staphylococcus aureus- induced host cell death T1 - Identifizierung von Faktoren, die am Staphylococcus aureus-induzierten Wirtszelltod beteiligt sind N2 - Staphylococcus aureus is a Gram-positive commensal bacterium, that asymptomatically colonizes human skin and mucosal surfaces. Upon opportune conditions, such as immunodeficiency or breached barriers of the host, it can cause a plethora of infections ranging from local, superficial infections to life-threatening diseases. Despite being regarded as an extracellular pathogen, S. aureus can invade and survive within non-phagocytic and phagocytic cells. Eventually, the pathogen escapes from the host cell resulting in killing of the host cell, which is associated with tissue destruction and spread of infection. However, the exact molecular mechanisms underlying S. aureus-induced host cell death remain to be elucidated. In the present work, a genome-wide haploid genetic screen was performed to identify host cell genes crucial for S. aureus intracellular cytotoxicity. A mutant library of the haploid cell line HAP1 was infected with the pathogen and cells surviving the infection were selected. Twelve genes were identified, which were significantly enriched when compared to an infection with a non-cytotoxic S. aureus strain. Additionally, characteristics of regulated cell death pathways and the role of Ca2+ signaling in S. aureus-infected cells were investigated. Live cell imaging of Ca2+ reporter cell lines was used to analyze single cells. S. aureus-induced host cell death exhibited morphological features of apoptosis and activation of caspases was detected. Cellular H2O2 levels were elevated during S. aureus intracellular infection. Further, intracellular S. aureus provoked cytosolic Ca2+ overload in epithelial cells. This resulted from Ca2+ release from endoplasmic reticulum and Ca2+ influx via the plasma membrane and led to mitochondrial Ca2+ overload. The final step of S. aureus-induced cell death was plasma membrane permeabilization, a typical feature of necrotic cell death. In order to identify bacterial virulence factors implicated in S. aureus-induced host cell killing, the cytotoxicity of selected mutants was investigated. Intracellular S. aureus employs the bacterial cysteine protease staphopain A to activate an apoptosis-like cell death characterized by cell contraction and membrane bleb formation. Phagosomal escape represents a prerequisite staphopain A-induced cell death, whereas bacterial intracellular replication is dispensable. Moreover, staphopain A contributed to efficient colonization of the lung in a murine pneumonia model. In conclusion, this work identified at least two independent cell death pathways activated by intracellular S. aureus. While initially staphopain A mediates S. aureus-induced host cell killing, cytosolic Ca2+-overload follows later and leads to the final demise of the host cell. N2 - Staphylococcus aureus ist ein Gram-positives, kommensales Bakterium, welches menschliche Haut- und Schleimhautoberflächen asymptomatisch kolonisiert. Unter günstigen Bedingungen, wie z. B. Immunschwäche oder verletzten Barrieren des Wirtes, kann es eine Vielzahl von Infektionen verursachen, die von lokalen, oberflächlichen Infektionen bis hin zu lebensbedrohlichen Krankheiten reichen. Obwohl S. aureus als extrazellulärer Erreger angesehen wird, kann das Bakterium von nicht-phagozytischen und phagozytischen Zellen aufgenommen werden und dort überleben. Schließlich bricht das Pathogen aus der Wirtszelle aus und die damit einhergehende Tötung der Wirtszelle wird mit Gewebezerstörung und Ausbreitung der Infektion in Verbindung gebracht. Die genauen molekularen Mechanismen, die dem S. aureus induzierten Wirtszelltod zugrunde liegen, müssen jedoch noch geklärt werden. In dieser Arbeit wurde ein genomweiter haploid genetischer Screen durchgeführt, um Wirtszellgene zu identifizieren, die für die intrazelluläre Zytotoxizität von S. aureus entscheidend sind. Eine Mutantenbibliothek der haploiden Zelllinie HAP1 wurde mit dem Erreger infiziert und die Zellen, die die Infektion überlebten, wurden selektiert. Dabei wurden zwölf Gene identifiziert, die signifikant angereichert waren gegenüber einer Infektion mit einem nicht-zytotoxischen S. aureus Stamm. Des Weiteren wurden Eigenschaften regulierter Zelltod-Signalwege und die Rolle der Ca2+-Signalübertragung in S. aureus infizierten Zellen untersucht. Lebendzellbildgebung von Ca2+-Reporterzelllinien wurde zur Analyse von einzelnen Zellen eingesetzt. Der S. aureus induzierte Wirtszelltod wies morphologische Merkmale von Apoptose auf und die Aktivierung von Caspasen wurde nachgewiesen. Der zelluläre H2O2-Spiegel wurde durch die intrazelluläre Infektion mit S. aureus erhöht. Zusätzlich rief der intrazelluläre S. aureus eine zytosolische Ca2+-Überbelastung in Epithelzellen hervor. Dies resultierte aus der Ca2+-Freisetzung vom endoplasmatischen Retikulum und dem Einstrom von Ca2+ über die Plasmamembran und führte zu einer mitochondrialen Ca2+-Überbelastung. Der finale Schritt des durch S. aureus induzierten Zelltods war die Permeabilisierung der Plasmamembran, ein typisches Merkmal des nekrotischen Zelltods. Um bakterielle Virulenzfaktoren zu identifizieren, die am S. aureus-induzierten Wirtszelltod beteiligt sind, wurde die Zytotoxizität von ausgewählten Mutanten untersucht. Der intrazelluläre S. aureus nutzt die bakterielle Cysteinprotease Staphopain A, um einen Apoptose-artigen Zelltod zu aktivieren, der durch Zellkontraktion und Blasenbildung der Membran gekennzeichnet ist. Der phagosomale Ausbruch stellt eine Voraussetzung für den Staphopain A-induzierten Zelltod da, während die intrazelluläre Replikation der Bakterien nicht notwendig ist. Darüber hinaus trug Staphopain A zu einer effizienten Kolonisation der Lunge in einem murinen Pneumonie-Modell bei. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Arbeit mindestens zwei unabhängige Zelltod-Signalwege identifiziert hat, die durch den intrazellulären S. aureus aktiviert werden. Während zunächst Staphopain A den Tod der Wirtszelle einleitet, folgt später die zytosolische Ca2+-Überlastung und führt zum endgültigen Untergang der Wirtszelle. KW - Staphylococcus aureus KW - Zelltod KW - Wirtszelle KW - cell death KW - host cell Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-188991 N1 - Zusatzmaterial (Videos) befinden sich auch auf einer CD in der gedruckten Ausgabe ER - TY - JOUR A1 - Stelzner, Kathrin A1 - Winkler, Ann-Cathrin A1 - Liang, Chunguang A1 - Boyny, Aziza A1 - Ade, Carsten P. A1 - Dandekar, Thomas A1 - Fraunholz, Martin J. A1 - Rudel, Thomas T1 - Intracellular Staphylococcus aureus Perturbs the Host Cell Ca\(^{2+}\) Homeostasis To Promote Cell Death JF - mBio N2 - The opportunistic human pathogen Staphylococcus aureus causes serious infectious diseases that range from superficial skin and soft tissue infections to necrotizing pneumonia and sepsis. While classically regarded as an extracellular pathogen, S. aureus is able to invade and survive within human cells. Host cell exit is associated with cell death, tissue destruction, and the spread of infection. The exact molecular mechanism employed by S. aureus to escape the host cell is still unclear. In this study, we performed a genome-wide small hairpin RNA (shRNA) screen and identified the calcium signaling pathway as being involved in intracellular infection. S. aureus induced a massive cytosolic Ca\(^{2+}\) increase in epithelial host cells after invasion and intracellular replication of the pathogen. This was paralleled by a decrease in endoplasmic reticulum Ca\(^{2+}\) concentration. Additionally, calcium ions from the extracellular space contributed to the cytosolic Ca2+ increase. As a consequence, we observed that the cytoplasmic Ca\(^{2+}\) rise led to an increase in mitochondrial Ca\(^{2+}\) concentration, the activation of calpains and caspases, and eventually to cell lysis of S. aureus-infected cells. Our study therefore suggests that intracellular S. aureus disturbs the host cell Ca\(^{2+}\) homeostasis and induces cytoplasmic Ca\(^{2+}\) overload, which results in both apoptotic and necrotic cell death in parallel or succession. IMPORTANCE Despite being regarded as an extracellular bacterium, the pathogen Staphylococcus aureus can invade and survive within human cells. The intracellular niche is considered a hideout from the host immune system and antibiotic treatment and allows bacterial proliferation. Subsequently, the intracellular bacterium induces host cell death, which may facilitate the spread of infection and tissue destruction. So far, host cell factors exploited by intracellular S. aureus to promote cell death are only poorly characterized. We performed a genome-wide screen and found the calcium signaling pathway to play a role in S. aureus invasion and cytotoxicity. The intracellular bacterium induces a cytoplasmic and mitochondrial Ca\(^{2+}\) overload, which results in host cell death. Thus, this study first showed how an intracellular bacterium perturbs the host cell Ca\(^{2+}\) homeostasis." KW - Staphylococcus aureus KW - calcium signaling pathway KW - cell death KW - facultatively intracellular pathogens Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-231448 VL - 11 ER -