Martin Eckart

• Staphylococcus epidermidis ist ein wichtiger Bestandteil der gesunden Hautflora des Menschen, gleichzeitig aber auch der häufigste Erreger nosokomialer Infektionen bei immunsupprimierten Patienten. Die Forschungsarbeiten haben sich in den vergangenen Jahren besonders auf Faktoren und Mechanismen konzentriert, welche zur Etablierung der Spezies als Pathogen beigetragen haben. Eine typische Eigenschaft klinischer Isolate ist die Fähigkeit, auf künstlichen Oberflächen Biofilme zu bilden. Gegenstand der vorliegenden Arbeit war die Untersuchung derStaphylococcus epidermidis ist ein wichtiger Bestandteil der gesunden Hautflora des Menschen, gleichzeitig aber auch der häufigste Erreger nosokomialer Infektionen bei immunsupprimierten Patienten. Die Forschungsarbeiten haben sich in den vergangenen Jahren besonders auf Faktoren und Mechanismen konzentriert, welche zur Etablierung der Spezies als Pathogen beigetragen haben. Eine typische Eigenschaft klinischer Isolate ist die Fähigkeit, auf künstlichen Oberflächen Biofilme zu bilden. Gegenstand der vorliegenden Arbeit war die Untersuchung der IS-vermittelten Genomflexibilität und der Vergleich der Genomstruktur nosokomialer und kommensaler Isolate von S. epidermidis. Dazu wurde eine 260 kb große spontane Deletion im Chromosom des Biofilm-bildenden Stammes S. epidermidis 307 sequenziert und annotiert, von der bekannt war, dass sie durch eine homologe Rekombination zweier IS256-Kopien ausgelöst wurde. Auf dem deletierten Fragment fanden sich neben dem ica-Operon zahlreiche potentielle Virulenz-assoziierte Gene. Das überraschende Ergebnis dieser Analyse war jedoch die Identifizierung eines neuartigen SCC-Elementes, das den rechten Rand der Deletion begrenzt. Dies ist die erste Beschreibung eines SSC-Elementes mit einer CcrC-Rekombinase, dem das Methicillin-Resistenzgen mecA fehlt. In der Nähe des Rekombinasegens fand sich S.-haemolyticus-spezifische DNA. Weitere Untersuchungen zeigten, dass das SCC-Element durch die IS256/Tn4001 -vermittelte Deletion in der Mutante verkürzt wurde. Genomvergleiche ica-positiver und ica-negativer Stämme von S. epidermidis mittels Microarrays, sowie in-silico-Analysen zweier vollständiger S.-epidermidis-Genome ergaben, dass sich kommensale und pathogene Stämme in nur wenigen Faktoren unterscheiden. Diese befinden sich jedoch fast alle in einer Region um den oriC, in dessen Nähe auch die Insertionsstelle für die SCCmec-Inseln lokalisiert ist. Das deletierte DNA-Fragment von S. epidermidis 307 konnte ebenfalls dieser Region zugeordnet werden, die offenbar eine Zone hoher genomischer Flexibilität darstellt, in der fremde DNA integriert werden kann. Im Rahmen dieser Arbeit konnte außerdem gezeigt werden, dass das ica-Operon diesen variablen Genomabschnitt begrenzt. Die exakte Grenze zwischen ica-positiven und ica-negativen Stämmen bildet eine Thr-tRNA, die in einer 1,4 kb großen intergenischen Region stromabwärts des icaR-Regulatorgens lokalisiert ist. In unmittelbarer Nachbarschaft konnte ein Transkript nachgewiesen werden, welches nur in ica-positiven S. epidermidis vorkommt. Gestützt auf bioinformatische Analysen wurden zunächst die Polarität und Länge des Transkriptes, sowie der korrespondierende Promotor experimentell bestimmt. Demnach handelt es sich um eine 487 nt lange RNA, die entgegengesetzt zur Thr-tRNA orientiert ist und mit dieser teilweise überlappt. Da die Nukelotid-Sequenz weder eine Ribosomen- Bindungsstelle noch einen größeren Leserahmen aufweist, ist es sehr wahrscheinlich, dass es sich um eine nicht-translatierte RNA handelt. Qualitative RT-PCR-Experimente zeigten, dass die IGRica-RNA kostitutiv exprimiert wird. Spontane IS256 –Insertionsmutanten in der Promotorregion der IGRica-RNA wiesen phänotypisch eine deutlich verminderte Biofilmbildung auf. Daher ist zu vermuten, dass die IGRica-RNA in die Regulation dieses wichtigen Virulenzfaktors involviert ist. In der vorliegenden Arbeit konnte weiterhin gezeigt werden, dass S. epidermidis das in vielen Spezies konservierte Hfq-Protein exprimiert, welches ein Bindungspartner und Chaperon für zahlreiche regulatorische RNAs darstellt. gel-shift-Experimente mit rekombinantem Hfq-Protein aus S. epidermidis ergaben jedoch keine nachweisbare Wechselwirkung der IGRica-RNA mit diesem Faktor in vitro. Insgesamt hat die Studie gezeigt, dass S. epidermidis eine Spezies mit einer außerordentlich hohen Genomflexibilität ist, die sich hauptsächlich in einer bestimmten Genomregion abspielt und für die IS-Elemente von besonderer Bedeutung sind. Die Identifizierung von DNA aus anderen Staphylokokken-Arten in dieser Region zeigt, dass S. epidermidis zu horizontalem Gentransfer über Speziesgrenzen hinweg in der Lage ist. Dies, sowie die Daten zur neuen SCC-Kassette, unterstreichen die Bedeutung von S. epidermidis als Reservoir für die Entwicklung neuartiger Resistenz- und Virulenzdeterminanten, die gerade im Krankenhausmilieu auf Spezies mit höherem Virulenzpotential übertragen werden können und so einen wichtigen Faktor für die anhaltende Problematik nosokomialer Infektionen mit S. aureus darstellen. Die Entdeckung einer RNA mit möglicherweise regulatorischer Funktion ist der erste Faktor dieser Art, der – abgesehen von einigen phylogenetisch hoch konservierten RNAs – bisher in S. epidermidis nachgewiesen wurde. Die funktionale Analyse der IGRica-RNA und die Suche nach weiteren regulatorischen RNAs in Staphylokokken eröffnen ein Forschungsfeld, das zum besseren Verständnis der Lebensweise dieser bedeutenden Erreger beitragen kann.…
• Staphylococcus epidermidis is an important part of the human skin flora, but also the most frequent cause of nosocomial infections in immune-suppressed patients. Research in the last years focused on the factors and mechanisms leading to the establishment of the species as a pathogen. A typical feature of clinical isolates of S. epidermidis is the ability to form biofilms on artificial surfaces. Topic of this work was the IS-mediated genome flexibility and the comparison of genome structure from nosocomial and commensal S. epidermidis isolates.Staphylococcus epidermidis is an important part of the human skin flora, but also the most frequent cause of nosocomial infections in immune-suppressed patients. Research in the last years focused on the factors and mechanisms leading to the establishment of the species as a pathogen. A typical feature of clinical isolates of S. epidermidis is the ability to form biofilms on artificial surfaces. Topic of this work was the IS-mediated genome flexibility and the comparison of genome structure from nosocomial and commensal S. epidermidis isolates. A 260 kb large spontaneous deletion in the chromosome of the biofilm-forming strain S. epidermidis 307 was sequenced and annotated. The deletion was caused by homologous recombination of two IS256 copies. It contained many putative virulence-associated genes besides the ica operon. However, the surprising result of this analysis was the identification of a new SCC element that limits the right border of the deletion. This is the first report of a SCC element containing a CcrC recombinase but lacking the mecA gene. DNA of S. haemolyticus is located near the recombinase gene ccrC. Further studies showed that the SCC element is truncated due to IS256/Tn4001 mediated deletion in the mutant. Genome comparison of ica-positive and ica-negative S. epidermidis strains using microarrays revealed that commensal and pathogenic strains differ only in very few factors. This was confirmed by in silico comparison of two complete genomes of S. epidermidis. Most of the virulence factors are harbored within a region around the oriC. The insertion sites of the SCCmec islands and the deleted fragment of S. epidermidis are also located in this part of the genome, that obviously represents a region of high genomic flexibility and in which foreign DNA can be integrated. Furthermore, this work showed that the ica operon delimits this variable segment of the genome. The exact border between ica-positive and ica-negative strains represents a Thr-tRNA within the 1.4 kb intergenic region downstream of the icaR regulatory gene. In the direct vicinity a transcript could be detected that is only present in ica-positive S. epidermidis. Based on bioinformatical analysis the polarity, length, and the corresponding promoter were experimentally determined. The RNA ranges 487 nt in length and overlaps partly with the Thr-tRNA on the opposite strand. Neither a ribosomal binding site nor an appropriate open reading frame can be found; so, it is likely that the RNA is not translated. Qualitative RT-PCR experiments showed constitutive expression of the IGRica-RNA. Spontaneous IS256 insertion mutants within the promoter region of the IGRica-RNA exhibited a clearly diminished biofilm formation. Therefore, it is tempting to speculate that the IGRica-RNA is involved in the regulation of this important virulence factor. The experiments show that S. epidermidis also expresses the highly conserved Hfq protein that functions as a binding partner and a chaperon for many regulatory RNAs. However, gel shift experiments with recombinant Hfq from S. epidermidis revealed no detectable interaction of the IGRica-RNA with this factor in vitro. In summary, the study shows that S. epidermidis is a species with extraordinary high genome flexibility in a certain region of the genome where IS elements have a special influence. Identification of DNA from other staphylococcal species demonstrates that S. epidermidis is capable of horizontal gene transfer beyond the species barrier. This and the newly discovered SCC element emphasize the importance of S. epidermidis as a reservoir for the development of new resistance and virulence determinants. These factors can be transferred easily within the hospital environment to species with a higher virulence potential. This represents an important factor for the long-standing problem of nosocomial infections with S. aureus. The discovered RNA with a putative regulatory function is the first factor of this kind that has been identified in S. epidermidis so far, besides some phylogenetically conserved RNAs. Functional analysis of the IGRica-RNA and investigation for other regulatory RNAs in staphylococci open a wide field of research that can contribute considerably to the understanding of these important pathogens.…