Daniel Schäfer

• Staphylococcus aureus reagiert auf veränderte Umweltbedingungen wie Hitze, pH und Chemikalien mit Hilfe globaler Regulatoren wie dem Sae (S. aureus exoprotein expression) Zweikomponenten-System. Subinhibitorische Konzentrationen einiger Antibiotika können die Expression von Virulenzfaktoren erhöhen. In dieser Arbeit wurde die Stressantwort von S. aureus auf subletale Konzentrationen des geläufigen Desinfektionsmittels Perform® untersucht. Dazu wurden biochemische Methoden wie SDS-PAGE und Massen-Spektrometrie sowie molekularbiologische MethodenStaphylococcus aureus reagiert auf veränderte Umweltbedingungen wie Hitze, pH und Chemikalien mit Hilfe globaler Regulatoren wie dem Sae (S. aureus exoprotein expression) Zweikomponenten-System. Subinhibitorische Konzentrationen einiger Antibiotika können die Expression von Virulenzfaktoren erhöhen. In dieser Arbeit wurde die Stressantwort von S. aureus auf subletale Konzentrationen des geläufigen Desinfektionsmittels Perform® untersucht. Dazu wurden biochemische Methoden wie SDS-PAGE und Massen-Spektrometrie sowie molekularbiologische Methoden wie qRT-PCR und Promotoraktivitäts-Assays eingesetzt. Davon abhängige, funktionelle Veränderungen wurden in durchfluss-zytometrischen Invasions-Assays analysiert. Perform wirkt durch die Bildung von reaktiven Sauerstoff-Spezies (ROS). Das Wachstum von S. aureus in Medien mit subletalen Konzentrationen von Perform verringerte in den Stämmen 6850, COL und ISP479C die Expression mehrerer Proteine, wohingegen im Stamm Newman eine gesteigerte Expression mehrerer Proteine festgestellt werden konnte. In der Literatur werden diese vermehrt exprimierten Proteine als sae-abhängig beschrieben. Der Effekt von Perform konnte durch das im Desinfektionsmittel enthaltene Detergenz SDS nachgeahmt werden, jedoch nicht durch Paraquat oder weitere Detergenzien wie Triton X-100 oder Tween 20. Eine Solubilisierungsreaktion durch die Detergenz-Wirkung konnte ausgeschlossen werden, da der beobachtete Effekt von lebenden Bakterien abhängt. Für Eap (extracellular adherence protein) konnte die deutlichste Steigerung der Proteinexpression festgestellt werden und eine Transkriptionsanalyse bestätigte die gesteigerte Eap-Expression. Die Promotoraktivität des sae Promotors P1 wurde sowohl durch Perform als auch durch SDS verstärkt. Die Anwesenheit von Perform und SDS hatte auch funktionelle Änderungen zur Folge: In durchflusszytometrischen Experimenten erhöhte sich beispielsweise die Invasivität auf das 2,5- bzw. 3,2-fache und die beobachteten Unterschiede konnten durch Lysostaphin Protektions Versuche bestätigt werden. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die gesteigerte Invasivität in Stamm Newman von Eap und dem sae-System abhängig war, während agr, sarA, sigB und FnBPs keinen entscheidenden Einfluss auf die Invasivität hatten. In dieser Arbeit wurde außerdem aufgedeckt, dass die Besonderheit des Stammes Newman durch eine Mutation in saeS (Sensor-Histidinkinase) bedingt war. Obwohl postuliert wird, dass diese Punktmutation ein konstitutiv aktiviertes sae System zur Folge hat, konnte die hohe sae Aktivität durch Perform und SDS jedoch noch weiter gesteigert werden. Durch den Austausch des gesamten sae-Operons konnte gezeigt werden, dass sich der Stamm Newman saeISP479C wie der Stamm ISP479C, und der Stamm ISP479C saeNewman sich analog zu Stamm Newman verhielt. Zusammenfassend kann aus den vorliegenden Ergebnissen geschlussfolgert werden, dass ein Aminosäurenaustausch in der Sensor-Histidinkinase SaeS des Stammes Newman verantwortlich für die gesteigerte Expression von Eap und die daraus resultierende gesteigerte Invasivität nach der Inkubation mit subletalen Konzentrationen von Perform und SDS ist. Diese Daten können dazu beitragen, die Virulenzmechanismen im Stamm Newman, speziell die Rolle des Sae-Systems, aber auch die der generellen Regulation, besser verstehen zu können.…
• Staphylococcus aureus copes with changing environmental conditions like heat, pH and chemicals by utilizing global regulators such as the Sae (S. aureus exoprotein expression) two-component signaling system. Subinhibitory concentrations of some antibiotics were shown to increase virulence factor expression. Here, we investigated the S. aureus stress response to sublethal concentrations of the commonly used biocide, Perform®. Therefore biochemical methods including SDS-PAGE and mass spectrometry as well as molecular biological methods likeStaphylococcus aureus copes with changing environmental conditions like heat, pH and chemicals by utilizing global regulators such as the Sae (S. aureus exoprotein expression) two-component signaling system. Subinhibitory concentrations of some antibiotics were shown to increase virulence factor expression. Here, we investigated the S. aureus stress response to sublethal concentrations of the commonly used biocide, Perform®. Therefore biochemical methods including SDS-PAGE and mass spectrometry as well as molecular biological methods like qRT-PCR and promoter activity assays, were used. Additionally, functional differences were analyzed by flow cytometric invasion assays. Perform, acting through the production of reactive oxygen species, generally downregulated the expression of extracellular proteins in strains 6850, COL, ISP479C, but upregulated these proteins in Newman. All upregulated proteins were sae-dependent. Whereas the Perform component SDS mimicked the biocide effect, paraquat or other detergents, as Triton X-100 or Tween 20 did not. A solubilisation by the detergents could be excluded due to the effect´s requirement of live bacteria. Eap (extracellular adherence protein) was most prominently augmented. Upregulation of eap was confirmed by qRT-PCR. Promoter activity of the sae promoter P1 was increased by Perform and SDS. Flow cytometric analysis revealed that both substances enhanced cellular invasiveness 2.5-fold and 3.2-fold, respectively, and the increased invasiveness could be validated by a lysostaphin protection assay. Furthermore, the increased invasiveness was dependent on Eap and the sae system, whereas agr, sarA, sigB and FnBPs had no major effect in strain Newman. This unique response pattern was due to a point mutation in SaeS, as demonstrated by allele swapping. Newman-saeSISP479C behaved like ISP479C, whereas saeSNewman rendered ISP479C equally responsive as Newman. The point mutation is said to lead to a constitutively active sae-system, but with Perform and SDS we were able to further enhance the already high sae-activity. Taken together, an amino acid-substitution in the sensor histidine kinase SaeS of strain Newman was shown to be responsible for the increased expression of Eap upon exposure to sublethal Perform and SDS concentrations, leading to increased Eap-dependent cellular invasiveness. These data may be important for a deeper understanding and further analyzing the virulence mechanism in strain Newman, especially the role of the sae-system but also the general regulation.…