Gianluca Matera

• RNA represents one of the most abundant macromolecules in both eukaryotic and prokaryotic cells. Since the discovery that RNA could play important gene regulatory functions in the physiology of a cell, small regulatory RNAs (sRNAs) have been at the center of molecular biology studies. Functional sRNAs can be independently transcribed or derived from processing of mRNAs and other non-coding regions and they often associate with RNA-binding proteins (RBPs). Ever since the two major bacterial RBPs, Hfq and ProQ, were identified, the way weRNA represents one of the most abundant macromolecules in both eukaryotic and prokaryotic cells. Since the discovery that RNA could play important gene regulatory functions in the physiology of a cell, small regulatory RNAs (sRNAs) have been at the center of molecular biology studies. Functional sRNAs can be independently transcribed or derived from processing of mRNAs and other non-coding regions and they often associate with RNA-binding proteins (RBPs). Ever since the two major bacterial RBPs, Hfq and ProQ, were identified, the way we approach the identification and characterization of sRNAs has drastically changed. Initially, a single sRNA was annotated and its function studied with the use of low-throughput biochemical techniques. However, the development of RNA-seq techniques over the last decades allowed for a broader identification of sRNAs and their functions. The process of studying a sRNA mainly focuses on the characterization of its interacting RNA partner(s) and the consequences of this binding. By using RNA interaction by ligation and sequencing (RIL-seq), the present thesis aimed at a high-throughput mapping of the Hfq-mediated RNA-RNA network in the major human pathogen Salmonella enterica. RIL-seq was at first performed in early stationary phase growing bacteria, which enabled the identification of ~1,800 unique interactions. In- depth analysis of such complex network was performed with the aid of a newly implemented RIL-seq browser. The interactome revealed known and new interactions involving sRNAs and genes part of the envelope regulon. A deeper investigation led to the identification of a new RNA sponge of the MicF sRNA, namely OppX, involved in establishing a cross-talk between the permeability at the outer membrane and the transport capacity at the periplasm and the inner membrane. Additionally, RIL-seq was applied to Salmonella enterica grown in SPI-2 medium, a condition that mimicks the intracellular lifestyle of this pathogen, and finally extended to in vivo conditions during macrophage infection. Collectively, the results obtained in the present thesis helped unveiling the complexity of such RNA networks. This work set the basis for the discovery of new mechanisms of RNA-based regulation, for the identification of a new physiological role of RNA sponges and finally provided the first resource of RNA interactions during infection conditions in a major human pathogen.…
• RNA ist eines der am häufigsten vorkommenden Makromoleküle sowohl in eukaryontischen als auch in prokaryontischen Zellen. Seit der Entdeckung, dass RNA wichtige genregulatorische Funktionen in der Physiologie einer Zelle spielen könnte, stehen kleine regulatorische RNAs (sRNAs) im Mittelpunkt molekularbiologischer Studien. Funktionelle sRNAs können alleinstehend von nicht-codierenden oder codierenden Bereichen des Genoms transkribiert werden, aber sie können auch durch die Prozessierung einer mRNA entstehen. Des Weiteren sind sRNAs häufig mitRNA ist eines der am häufigsten vorkommenden Makromoleküle sowohl in eukaryontischen als auch in prokaryontischen Zellen. Seit der Entdeckung, dass RNA wichtige genregulatorische Funktionen in der Physiologie einer Zelle spielen könnte, stehen kleine regulatorische RNAs (sRNAs) im Mittelpunkt molekularbiologischer Studien. Funktionelle sRNAs können alleinstehend von nicht-codierenden oder codierenden Bereichen des Genoms transkribiert werden, aber sie können auch durch die Prozessierung einer mRNA entstehen. Des Weiteren sind sRNAs häufig mit RNA- bindenden Proteinen (RBPs) assoziiert. Seitdem die beiden wichtigsten bakteriellen RBPs, Hfq und ProQ, identifiziert wurden, hat sich die Art und Weise, wie wir an die Identifizierung und Charakterisierung von sRNAs herangehen, drastisch verändert. Ursprünglich wurden sRNAs annotiert und anschließend für einzelne sRNAs die Funktion mit biochemischen Techniken untersucht. Die Entwicklung von RNA-seq-Techniken in den letzten Jahrzehnten ermöglichte nun jedoch eine globale Identifizierung von sRNAs und ihren Funktionen. Der Prozess der Untersuchung einer sRNA konzentriert sich hauptsächlich auf die Charakterisierung ihrer interagierenden RNA-Partner und die Folgen dieser Bindung. Mit Hilfe der RNA-Interaktion durch Ligation und Sequenzierung (RIL-seq) wurde in der vorliegenden Arbeit eine Hochdurchsatzkartierung des Hfq-vermittelten RNA-RNA-Netzwerks in dem wichtigen humanen Krankheitserreger Salmonella enterica durchgeführt. RIL-seq wurde zunächst in Bakterien in der frühen stationären Wachstumsphase durchgeführt, was die Identifizierung von ~1.800 einzigartigen Interaktionen ermöglichte. Mit Hilfe eines neu implementierten RIL-seq-Browsers wurde daraufhin eine eingehende Analyse dieses komplexen Netzwerks durchgeführt. Das Interaktom enthüllte bekannte und neue Interaktionen zwischen sRNAs und mRNAs, die Teil des Zellwand-Regulons sind. Eine tiefergehende Untersuchung führte zur Identifizierung eines neuen RNA-Schwammes, OppX, welcher mit der sRNA MicF bindet und so die Herstellung eines Cross-Talks zwischen der Permeabilität an der äußeren Membran und der Transportkapazität am Periplasma und der inneren Membran ermöglicht. Darüber hinaus wurde RIL-seq für Salmonella enterica angewandt, welche in SPI-2-Medium gewachsen waren, wobei diese Bedingung, die den intrazellulären Lebensstil dieses Erregers nachahmt. Durch die Infektion von Makrophagen mit dem Bakterium, wurde das RIL-seq Protokoll des Weiteren unter in vivo Bedingungen getestet. Insgesamt trugen die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse dazu bei, die Komplexität solcher RNA- Netzwerke zu enthüllen. Diese Arbeit bildete die Grundlage für die Entdeckung neuer Mechanismen der RNA-basierten Regulierung als auch für die Identifizierung einer neuen physiologischen Rolle von RNA- Schwämmen und lieferte letztendlich die erste Untersuchung für RNA- Interaktionen unter Infektionsbedingungen in einem wichtigen menschlichen Krankheitserreger.…