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- Helmholtz Center for RNA-based Infection Research (1)
- Institut für Molekulare Infektionsbiologie (MIB) der Universität Würzburg (1)
- MRB Forschungszentrum für Magnet-Resonanz-Bayern e.V., Am Hubland, D-97074 Würzburg (1)
- Research Center for Infectious Diseases (ZINF), University of Wuerzburg, Wuerzburg, Germany, (1)
- Research Center of Infectious Diseases (ZINF) of the University of Wurzburg, Germany (1)
- Zentrum für Infektionsforschung (ZINF): Nachwuchsgruppe 2 (1)
Staphylococcus aureus ist ein bedeutender opportunistischer Krankheitserreger, der eine Vielzahl von Infektionen in Menschen und Tieren hervorrufen kann. Das Krankheitsbild reicht von leichten Hautinfektionen bis hin zu lebensbedrohlichen Infektionen wie Endokarditis, Sepsis oder Pneumonien. S. aureus ist ein Haupterreger nosokomialer Infektionen. Besonders die Antibiotikaresistenzentwicklung von S. aureus–Stämmen ist problematisch. Als wirksame Antibiotika können zur Zeit oft nur noch Vancomycin, Synercid oder Linezolid zur Therapie eingesetzt werden. Die alarmierende Resistenzentwicklung in S. aureus verdeutlicht, dass die Entwicklung neuer Antibiotika und die Identifizierung neuer bakterieller Angriffsstrukturen dringend erforderlich ist. Gängige antiinfektive Therapeutika sind gegen die bakterielle Zellwandsynthese, den DNA- und RNA-Stoffwechsel oder die Proteinbiosynthese gerichtet. In dieser Arbeit sollten Virulenz-relevante Zielstrukturen für die Entwicklung neuer Antibiotika untersucht werden. Insgesamt wurden sieben Gene analysiert, von denen vier zu Anfang dieser Arbeit in S. aureus noch nicht charakterisiert waren. Die Zielgene (clpP, purH, ssrA und smpB) in S. aureus sollten deletiert werden, um ihre Überlebensnotwendigkeit in vitro- und in vivo zu überprüfen. Eine Deletion gelang bei den Genen clpP und purH, die somit als nicht essenziell in S. aureus zu betrachten sind. Die bereits zuvor als nicht-essenziell charakterisierten Gene arlR, arlS und putP wurden deletiert und die Mutanten dclpP, darlR, darlS, dpurH und dputP wurden phänotypisch in Hinsicht auf ihren Einfluss auf die Pathogenität in S. aureus analysiert. Die differenzielle Genexpression der Mutanten dclpP und darlR wurde mit Hilfe von Microarray-Hybridisierungsexperimenten untersucht. Die ∆clpP-Mutante zeigte einen starken Wachstumsdefekt bei verschiedenen Temperaturen (30, 37, 42°C) und war nicht mehr in der Lage bei 20°C zu wachsen. Ebenso war das Wachstum unter anaeroben Bedingungen stark beeinträchtigt. Der Stamm dclpP wies eine verringerte hämolytische Aktivität sowie eine verminderte Adhärenz an Polystyren auf. Außerdem konnte eine stark erhöhte autolytische Aktivität in einem Triton X-100-Assay beobachtet werden. In einem Invasions-Zellkulturassay mit 293T-Epithelzellen konnte eine ~10-fach erhöhte Invasivität im Vergleich zu dem isogenen Wildtyp festgestellt werden. Die Komplementierung der ∆clpP-Mutante durch Einführung eines clpP-Expressionsvektors führte nahezu bei allen getesteten Bedingungen zur Wiederherstellung des wildtypischen Phänotyps. Die Transkriptomanalyse der dclpP-Mutante ergab eine deutliche Veränderung in der Genexpression (15 % aller Gene). Eine computerunterstützte Analyse der Upstreambereiche der deregulierten Gene führte zu der Identifizierung verschiedener Regulons, die bei der bakteriellen Antwort auf verschiedene Stressbedingungen eine Rolle spielen. Die clpP-Deletion betrifft besonders Regulatoren, deren Aktivität in Abhängigkeit zu veränderten Redox-Bedingungen reguliert wird, wie z. B. verschiedenen Stressbedingungen und Anaerobiose. Die Konstruktion der darlR- und darlS-Mutanten führte zu einer gesteigerten hämolytischen Aktivität, einer erhöhten Adhärenz an Polystyren sowie einer erhöhten autolytischen Aktivität in Triton X-100-Assays. Die Internalisierungsrate durch 293T-Epithelzellen war vermindert. Die darlR-Mutante wurde in einem Katheter-assoziierten Infektionsmodell in Ratten eingesetzt. Die kompetitive Infektion mit Mutante und Wildtyp ergab einen deutlichen Nachteil bei der Etablierung einer Infektion durch die Mutante. Die Transkriptomanalyse der 8325darlR-Mutante in der exponenziellen und in der stationären Phase unterstreicht den großen Einfluss des ArlRS-Zwei-Komponenten-Systems auf die Regulation der Genexpression in S. aureus. In der exponenziellen Phase wurden insgesamt 5 % und in der stationären Phase 15 % der Gene differenziell exprimiert. dpurH- und dputP-Mutanten wiesen in vitro keine Veränderungen im Wachstums-verhalten, der Biofilmbildung oder hämolytischen Aktivität auf. In einem Infektionsmodell in Ratten führte die Deletion von purH in dem S. aureus-Stamm MA12 zu einer signifikanten Verminderung der Virulenz. Die Herstellung von smpB- und ssrA-Deletionsmutanten verlief ohne Erfolg. Es wurde versucht, einen direkten Nachweis für den essenziellen Charakter dieser Gene durch den Einsatz konditional letaler Expressionssysteme zu erbringen. Weder der Austausch des wildtypischen durch einen regulierbaren Promotor noch eine Antisense-RNA-Strategie war für eine eindeutige Klärung dieser Frage ausreichend. Es konnte durch diese Arbeit jedoch gezeigt werden, dass die Antisense-RNA-Strategie eine Beeinträchtigung des Wachstums von S. aureus bewirkt.
Enterococcus faecalis and faecium are two major representative clinical strains of the Enterococcus genus and are sadly notorious to be part of the top agents responsible for nosocomial infections. Despite their critical implication in worldwide public healthcare, essential and available resources such as deep transcriptome annotations remain poor, which also limits our understanding of post-transcriptional control small regulatory RNA (sRNA) functions in these bacteria. Here, using the dRNA-seq technique in combination with ANNOgesic analysis, we successfully mapped and annotated transcription start sites (TSS) of both E. faecalis V583 and E. faecium AUS0004 at single nucleotide resolution. Analyzing bacteria in late exponential phase, we capture ~40% (E. faecalis) and 43% (E. faecium) of the annotated protein-coding genes, determine 5′ and 3′ UTR (untranslated region) length, and detect instances of leaderless mRNAs. The transcriptome maps revealed sRNA candidates in both bacteria, some found in previous studies and new ones. Expression of candidate sRNAs is being confirmed under biologically relevant environmental conditions. This comprehensive global TSS mapping atlas provides a valuable resource for RNA biology and gene expression analysis in the Enterococci. It can be accessed online at www.helmholtz-hiri.de/en/datasets/enterococcus through an instance of the genomic viewer JBrowse.
Enterococcus faecalis and Enterococcus faecium are major nosocomial pathogens. Despite their relevance to public health and their role in the development of bacterial antibiotic resistance, relatively little is known about gene regulation in these species. RNA–protein complexes serve crucial functions in all cellular processes associated with gene expression, including post-transcriptional control mediated by small regulatory RNAs (sRNAs). Here, we present a new resource for the study of enterococcal RNA biology, employing the Grad-seq technique to comprehensively predict complexes formed by RNA and proteins in E. faecalis V583 and E. faecium AUS0004. Analysis of the generated global RNA and protein sedimentation profiles led to the identification of RNA–protein complexes and putative novel sRNAs. Validating our data sets, we observe well-established cellular RNA–protein complexes such as the 6S RNA–RNA polymerase complex, suggesting that 6S RNA-mediated global control of transcription is conserved in enterococci. Focusing on the largely uncharacterized RNA-binding protein KhpB, we use the RIP-seq technique to predict that KhpB interacts with sRNAs, tRNAs, and untranslated regions of mRNAs, and might be involved in the processing of specific tRNAs. Collectively, these datasets provide departure points for in-depth studies of the cellular interactome of enterococci that should facilitate functional discovery in these and related Gram-positive species. Our data are available to the community through a user-friendly Grad-seq browser that allows interactive searches of the sedimentation profiles (https://resources.helmholtz-hiri.de/gradseqef/).
Das Kerngenom pathogener Escherichia coli Isolate wird von zahlreichen variablen Regionen unterbrochen, die meist durch horizontalen Gentransfer erworben wurden und über das ganze Chromosom verteilt sind. Diese variablen Bereiche tragen häufig Gene für Virulenz- und Fitnessfaktoren und sind oftmals nur instabil in das Chromosom integriert. Um die Verbreitung variabler Bereiche, die insbesondere Virulenzfaktoren kodieren, innerhalb verschiedener klinischer Isolate näher untersuchen zu können, wurde im Rahmen dieser Arbeit ein spezieller DNA-Array entwickelt. Dieser enthielt zahlreiche Sonden für Gene, die für die Virulenz von verschiedenen Erregern der Gattung E. coli als auch der Untergruppe Shigella charakteristisch sind. Mit diesem "Pathoarray" wurde die Verbreitung von Virulenzgenen in unterschiedlichen E. coli Isolaten untersucht. Zusätzlich wurden Unterschiede im Kerngenom mit Hilfe eines kommerziell erwerbbaren DNA-Arrays bestimmt. Ein Vergleich des Kerngenoms von uropathogenen Stämmen mit Derivaten, bei denen Pathogenitätsinseln deletiert sind, bestätigte die Auffassung, dass der Deletion von Pathogenitätsinseln ein spezieller Mechanismus zu Grunde liegt, von dem das Kerngenom nicht betroffen ist. Das Kerngenom der untersuchten Stämme war prinzipiell sehr konserviert und unterschied sich lediglich durch wenige Gene aus Bakteriophagen. Die größten Unterschiede wurden bei Genen beobachtet, die zum variablen Teil des Genoms gehören und charakteristisch für das jeweilige Isolat waren. Mit Hilfe der DNA-Array Technologie lassen sich auch Änderungen von Expressionsprofilen studieren, die von Mutationen oder durch Umwelteinflüsse bedingt werden. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde durch Transkriptomanalysen das RfaH-abhängige Regulon untersucht, insbesondere im Hinblick auf solche Gene, die die Biofilmbildung beeinflussen. Beim Vergleich der Transkriptome von E. coli 536rfaH mit dem Wildtyp wurde eine signifikant erhöhte Expression von Antigen 43 festgestellt. Im E. coli K-12 Stammhintergrund konnte dieses Oberflächenprotein als Hauptfaktor für die RfaH-abhängige Biofilmbildung identifiziert werden. Das verkürzte LPS-Kernoligosaccharid im Stamm MG1655rfaH hatte ebenfalls einen großen Einfluss auf die verstärkte Biofilmbildung. Vermutlich verstärkte die verbesserte Präsentation von Agn43 durch ein verkürztes LPS die Biofilmbildung signifikant. Andere Oberflächenstrukturen, wie die Colansäure-Kapsel, zeigten keinen Effekt auf die Biofilmbildung von E. coli MG1655rfaH. Neben den Expressionsprofilen der Stämme 536 und 536rfaH bei 37 Grad C wurden auch die Expressionsprofile bei 30 Grad C sowie von Biofilmen analysiert. Prinzipiell konnten bei allen untersuchten Wachstumsbedingungen nur geringe Unterschiede zwischen 536 und 536rfaH festgestellt werden. Beim Vergleich der unterschiedlichen Wachstumsbedingungen (Temperatureffekt und planktonische Zellen vs. Biofilm) wurden jedoch deutliche Unterschiede beobachtet. Sowohl Gene des Kerngenoms als auch Gene von Pathogenitätsinseln waren temperaturabhängig reguliert. Bei E. coli Isolaten lassen sich neben genomischen Unterschieden auch phänotypische Unterschiede beobachten. Es wurde festgestellt, dass die Biofilmbildung von E. coli Isolaten abhängig von verschiedenen Faktoren und molekularen Mechanismen ist. Zudem konnte dargelegt werden, wie Unterschiede in der Zusammensetzung der äußeren Membran durch eine veränderte LPS-Struktur und die Expression von Adhäsinen die Biofilmbildung beeinflussen können.
Background: Treatment options for NAFLD are still limited. Bariatric surgery, such as Roux-en-Y gastric bypass (RYGB), has been shown to improve metabolic and histologic markers of NAFLD. Glucagon-like-peptide-1 (GLP-1) analogues lead to improvements in phase 2 clinical trials. We directly compared the effects of RYGB with a treatment using liraglutide and/or peptide tyrosine tyrosine 3-36 (PYY\(_{3-36}\)) in a rat model for early NAFLD. Methods: Obese male Wistar rats (high-fat diet (HFD)-induced) were randomized into the following treatment groups: RYGB, sham-operation (sham), liraglutide (0.4 mg/kg/day), PYY\(_{3-36}\) (0.1 mg/kg/day), liraglutide+PYY\(_{3-36}\), and saline. After an observation period of 4 weeks, liver samples were histologically evaluated, ELISAs and RNA sequencing + RT-qPCRs were performed. Results: RYGB and liraglutide+PYY\(_{3-36}\) induced a similar body weight loss and, compared to sham/saline, marked histological improvements with significantly less steatosis. However, only RYGB induced significant metabolic improvements (e.g., adiponectin/leptin ratio 18.8 ± 11.8 vs. 2.4 ± 1.2 in liraglutide+PYY\(_{3-36}\)- or 1.4 ± 0.9 in sham-treated rats). Furthermore, RNA sequencing revealed a high number of differentially regulated genes in RYGB treated animals only. Conclusions: The combination therapy of liraglutide+PYY\(_{3-36}\) partly mimics the positive effects of RYGB on weight reduction and on hepatic steatosis, while its effects on metabolic function lack behind RYGB.
Die Therapie von bakteriellen Infektionen beruht heutzutage zum Großteil auf dem Einsatz von Antibiotika. Die schnelle Entwicklung und rasche Verbreitung von resistenten Stämmen mancher Erreger gegen diese Antibiotika stellt ein enormes Problem für das Gesundheitswesen dar. Da momentan zur Antibiotikatherapie keine Alternativen bestehen, kommt der Erforschung neuer potenzieller Wirkstoffe eine sehr große Bedeutung zu. In einem Screening-Verfahren lagen die minimalen Hemmkonzentrationen einiger bisquartärer Bisnaphthalimide gegen Staphylococcus aureus und S. epidermidis im Bereich von 0,6 bis 2,5 µg/ml. Die Substanz mit den geringsten minimalen Hemmkonzentrationen war MT02. Daraufhin wurde das Wirkungsspektrum von MT02 gegen Bakterien detaillierter untersucht und gefunden, dass die Substanz vorwiegend gegen Gram-positive Erreger und nicht gegen Gram-negative Bakterien wirksam ist. Zytotoxizitätstests ergaben eine geringe bis nicht nachweisbare Toxizität gegen verschiedene Zelllinien im Bereich von 73 bis mehr als 150 µg/ml. Um die Wirkungsweise von MT02 genauer zu untersuchen wurden zunächst DNA-Microarray-Untersuchungen an S. aureus durchgeführt. Deren Ergebnisse ließen einen Einfluss der Substanz auf viele Gene des DNA-Metabolismus erkennen. Inkorporationsstudien mittels radioaktiver Ganzzellmarkierung bestätigten die Auswirkung von MT02 auf den DNA-Stoffwechsel. Durch kompetitive Inkubation wurde festgestellt, dass MT02 in der Lage ist Ethidiumbromid von DNA zu verdrängen bzw. dessen Bindung zu verhindern. Genauere Untersuchungen mittels Oberflächen-Plasmon-Resonanz ergaben, dass MT02 konzentrationsabhängig, reversibel und sequenzunspezifisch an DNA bindet. Die thermodynamischen Dissoziationskonstanten lagen im Mittel bei ca. 4 x 10-8 mol/l und beschrieben somit eine relativ starke Bindung von MT02 an DNA. Neben diesem primären Wirkungsmechanismus der DNA-Bindung gaben mehrere Befunde Hinweise auf einen sekundären Wirkmechanismus, der die Zellwand-Struktur bzw. Zellwand-Biosynthese beinhaltet. Eine MT02-resistente Mutante von S. aureus HG001 konnte durch vielfaches Passagieren in MT02-haltigem Medium generiert werden. Diese erzeugte bei Wachstum mit hohen Konzentrationen an MT02 einen roten Phänotyp. Die Natur dieses roten Farbstoffes konnte bislang nicht aufgeklärt werden, jedoch gibt es Hinweise, dass dieser auf Abbauprodukte von MT02 zurückzuführen ist. In einem weiteren Projekt wurde mittels Transkriptionsstudien die Auswirkung von verschiedenen bekannten Antibiotika sowie von neuen Wirkstoffen auf das Transkriptom von S. epidermidis untersucht. Die Ergebnisse dieser Studien können durch vergleichende Analysen als Grundlage für die Einordnung des Wirkmechanismus neuer Substanzen dienen.
Inflammation in the brain and gut is a critical component of several neurological diseases, such as Parkinson’s disease (PD). One trigger of the immune system in PD is aggregation of the pre-synaptic protein, α-synuclein (αSyn). Understanding the mechanism of propagation of αSyn aggregates is essential to developing disease-modifying therapeutics. Using a brain-first mouse model of PD, we demonstrate αSyn trafficking from the brain to the ileum of male mice. Immunohistochemistry revealed that the ileal αSyn aggregations are contained within CD11c+ cells. Using single-cell RNA sequencing, we demonstrate that ileal CD11c\(^+\) cells are microglia-like and the same subtype of cells is activated in the brain and ileum of PD mice. Moreover, by utilizing mice expressing the photo-convertible protein, Dendra2, we show that CD11c\(^+\) cells traffic from the brain to the ileum. Together these data provide a mechanism of αSyn trafficking between the brain and gut.
ABSTRACT The recently emerged pathogenic yeast Candida auris is a major concern for human health, because it is easily transmissible, difficult to eradicate from hospitals, and highly drug resistant. Most C. auris isolates are resistant to the widely used antifungal drug fluconazole due to mutations in the target enzyme Erg11 and high activity of efflux pumps, such as Cdr1. In the well-studied, distantly related yeast Candida albicans, overexpression of drug efflux pumps also is a major mechanism of acquired fluconazole resistance and caused by gain-of-function mutations in the zinc cluster transcription factors Mrr1 and Tac1. In this study, we investigated a possible involvement of related transcription factors in efflux pump expression and fluconazole resistance of C. auris. The C. auris genome contains three genes encoding Mrr1 homologs and two genes encoding Tac1 homologs, and we generated deletion mutants lacking these genes in two fluconazole-resistant strains from clade III and clade IV. Deletion of TAC1b decreased the resistance to fluconazole and voriconazole in both strain backgrounds, demonstrating that the encoded transcription factor contributes to azole resistance in C. auris strains from different clades. CDR1 expression was not or only minimally affected in the mutants, indicating that Tac1b can confer increased azole resistance by a CDR1-independent mechanism.
IMPORTANCE Candida auris is a recently emerged pathogenic yeast that within a few years after its initial description has spread all over the globe. C. auris is a major concern for human health, because it can cause life-threatening systemic infections, is easily transmissible, and is difficult to eradicate from hospital environments. Furthermore, C. auris is highly drug resistant, especially against the widely used antifungal drug fluconazole. Mutations in the drug target and high activity of efflux pumps are associated with azole resistance, but it is not known how drug resistance genes are regulated in C. auris. We have investigated the potential role of several candidate transcriptional regulators in the intrinsic fluconazole resistance of C. auris and identified a transcription factor that contributes to the high resistance to fluconazole and voriconazole of two C. auris strains from different genetic clades, thereby providing insight into the molecular basis of drug resistance of this medically important yeast."
The Vpr protein from type 1 and type 2 Human Immunodeficiency Viruses (HIV-1 and HIV-2) is thought to inactivate several host proteins through the hijacking of the DCAF1 adaptor of the Cul4A ubiquitin ligase. Here, we identified two transcriptional regulators, ZIP and sZIP, as Vpr-binding proteins degraded in the presence of Vpr. ZIP and sZIP have been shown to act through the recruitment of the NuRD chromatin remodeling complex. Strikingly, chromatin is the only cellular fraction where Vpr is present together with Cul4A ubiquitin ligase subunits. Components of the NuRD complex and exogenous ZIP and sZIP were also associated with this fraction. Several lines of evidence indicate that Vpr induces ZIP and sZIP degradation by hijacking DCAF1: (i) Vpr induced a drastic decrease of exogenously expressed ZIP and sZIP in a dose-dependent manner, (ii) this decrease relied on the proteasome activity, (iii) ZIP or sZIP degradation was impaired in the presence of a DCAF1-binding deficient Vpr mutant or when DCAF1 expression was silenced. Vpr-mediated ZIP and sZIP degradation did not correlate with the growth-related Vpr activities, namely G2 arrest and G2 arrest-independent cytotoxicity. Nonetheless, infection with HIV-1 viruses expressing Vpr led to the degradation of the two proteins. Altogether our results highlight the existence of two host transcription factors inactivated by Vpr. The role of Vpr-mediated ZIP and sZIP degradation in the HIV-1 replication cycle remains to be deciphered.
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 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.