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Methionine is the first amino acid of every newly synthesised protein. In combination with its role as precursor for the vital methyl-group donor S-adenosylmethionine, methionine is essential for every living cell. The opportunistic human pathogen Staphylococcus aureus is capable of synthesising methionine de novo, when it becomes scarce in the environment. All genes required for the de novo biosynthesis are encoded by the metICFE-mdh operon, except for metX. Expression is controlled by a hierarchical network with a methionyl-tRNA-specific T-box riboswitch (MET-TBRS) as centrepiece, that is also referred to as met leader (RNA). T-box riboswitches (TBRS) are regulatory RNA elements located in the 5’-untranslated region (5’-UTR) of genes. The effector molecule of T-box riboswitches is uncharged cognate tRNA. The prevailing mechanism of action is premature termination of transcription of the nascent RNA in the absence of the effector (i.e. uncharged cognate tRNA) due to formation of a hairpin structure, the Terminator stem. In presence of the effector, a transient stabilisation of the alternative structure, the Antiterminator, enables transcription of the downstream genes (‘read-through’). Albeit, after the read-through the thermodynamically more stable Terminator eventually forms. The Terminator and the Antiterminator are two mutually exclusive structures. Previous work of the research group showed that in staphylococci the MET-TBRS ensures strictly methionine-dependent control of met operon expression. Uncharged methionyl-tRNA that activates the system is only present in sufficient amounts under methionine-deprived conditions. In contrast to other bacterial TBRS, the staphylococcal MET-TBRS has some characteristic features regarding its length and predicted secondary structure whose relevance for the function are yet unkown.
Aim of the present thesis was to experimentally determine the structure of the met leader RNA and to investigate the stability of the met operon-specific transcripts in the context of methionine biosynthesis control. Furthermore, the yet unknown function of the mdh gene within the met operon was to be determined.
In the context of this thesis, the secondary structure of the met leader was determined employing in-line probing. The structural analysis revealed the presence of almost all highly conserved T-box riboswitch structural characteristics. Furthermore, three additional stems, absent in all T-box riboswitches analysed to date, could be identified. Particularly remarkable is the above average length of the Terminator stem which renders it a potential target of the double-strand-specific endoribonuclease III (RNase III). The RNase III-dependent cleavage of the met leader could be experimentally verified by the use of suitable mutants. Moreover, the exact cleavage site within the Terminator was determined.
The unusual immediate separation of the met leader from the met operon mRNA via the RNase III cleavage within the Terminator stem induces the rapid degradation of the met leader RNA and, most likely, that of the 5’-region of the met mRNA. The met mRNA is degraded from its 5’-end by the exoribonuclease RNase J. The stability of the met mRNA was found to vary over the length of the transcript with an instable 5’-end (metI and metC) and a longer half-life towards the 3’-end (metE and mdh). The varying transcript stability is reflected by differences in the available cellular protein levels. The obtained data suggest that programmed mRNA degradation is another level of regulation in the complex network of staphylococcal de novo methionine biosynthesis control.
In addition, the MET-TBRS was studied with regard to a future use as a drug target for novel antimicrobial agents. To this end, effects of a dysregulated methionine biosynthesis on bacterial growth and survival were investigated in met leader mutants that either caused permanent transcription of the met operon (‘ON’) or prevented operon transcription (‘OFF’), irrespective of the methionine status in the cell. Methionine deprivation turned out to be a strong selection pressure, as ‘OFF’ mutants acquired adaptive mutations within the met leader to restore met operon expression that subsequently re-enabled growth.
The second part of the thesis was dedicated to the characterisation of the Mdh protein that is encoded by the last gene of the met operon and whose function is unknown yet. At first, co-transcription and -expression with the met operon could be demonstrated. Next, the Mdh protein was overexpressed and purified and the crystal structure of Mdh was solved to high resolution by the Kisker research group (Rudolf-Virchow-Zentrum Würzburg). Analysis of the structure revealed the amino acid residues crucial for catalytic activity, and zinc was identified as a co-factor of Mdh. Also, Mdh was shown to exist as a dimer. However, identification of the Mdh substrate was, in the context of this thesis, (still) unsuccessful. Nevertheless, interactions of Mdh with enzymes of the met operon could be demonstrated by employing the bacterial two-hybrid system. This fact and the high conservation of mdh/Mdh on nucleotide and amino acid level among numerous staphylococcal species suggests an important role of Mdh within the methionine metabolism that should be a worthwhile subject of future research.
Staphylococcus aureus is a major human pathogen, which can invade and survive in non-professional and professional phagocytes. Uptake by host cells is thought to contribute to pathogenicity and persistence of the bacterium. Upon internalization by epithelial cells, cytotoxic S. aureus strains can escape from the phagosome, replicate in the cytosol and induce host cell death. Here, we identified a staphylococcal cysteine protease to induce cell death after translocation of intracellular S. aureus into the host cell cytoplasm. We demonstrated that loss of staphopain A function leads to delayed onset of host cell death and prolonged intracellular replication of S. aureus in epithelial cells. Overexpression of staphopain A in a non-cytotoxic strain facilitated intracellular killing of the host cell even in the absence of detectable intracellular replication. Moreover, staphopain A contributed to efficient colonization of the lung in a mouse pneumonia model. In phagocytic cells, where intracellular S. aureus is exclusively localized in the phagosome, staphopain A did not contribute to cytotoxicity. Our study suggests that staphopain A is utilized by S. aureus to exit the epithelial host cell and thus contributes to tissue destruction and dissemination of infection.
Author summary Staphylococcus aureus is an antibiotic-resistant pathogen that emerges in hospital and community settings and can cause a variety of diseases ranging from skin abscesses to lung inflammation and blood poisoning. The bacterium can asymptomatically colonize the upper respiratory tract and skin of humans and take advantage of opportune conditions, like immunodeficiency or breached barriers, to cause infection. Although S. aureus was not regarded as intracellular bacterium, it can be internalized by human cells and subsequently exit the host cells by induction of cell death, which is considered to cause tissue destruction and spread of infection. The bacterial virulence factors and underlying molecular mechanisms involved in the intracellular lifestyle of S. aureus remain largely unknown. We identified a bacterial cysteine protease to contribute to host cell death of epithelial cells mediated by intracellular S. aureus. Staphopain A induced killing of the host cell after translocation of the pathogen into the cell cytosol, while bacterial proliferation was not required. Further, the protease enhanced survival of the pathogen during lung infection. These findings reveal a novel, intracellular role for the bacterial protease staphopain A.
Livestock-associated methicillin-resistant Staphylococcus aureus (LA-MRSA) of clonal complex CC398 typically carry various antimicrobial resistance genes, many of them located on plasmids. In the bovine LA-MRSA isolate Rd11, we previously identified plasmid pAFS11 in which resistance genes are co-localized with a novel ica-like gene cluster, harboring genes required for polysaccharide intercellular adhesin (PIA)-mediated biofilm formation. The ica genes on pAFS11 were acquired in addition to a pre-existing ica locus on the S. aureus Rd11 chromosomal DNA. Both loci consist of an icaADBC operon and icaR, encoding a corresponding icaADBC repressor. Despite carrying two biofilm gene copies, strain Rd11 did not produce PIA and transformation of pAFS11 into another S. aureus strain even slightly diminished PIA-mediated biofilm formation. By focusing on the molecular background of the biofilm-negative phenotype of pAFS11-carrying S. aureus, we identified the pAFS11-borne ica locus copy as functionally fully active. However, transcription of both plasmid- and core genome-derived icaADBC operons were efficiently suppressed involving IcaR. Surprisingly, although being different on the amino acid sequence level, the two IcaR repressor proteins are mutually replaceable and are able to interact with the icaA promoter region of the other copy. We speculate that this regulatory crosstalk causes the biofilm-negative phenotype in S. aureus Rd11. The data shed light on an unexpected regulatory interplay between pre-existing and newly acquired DNA traits in S. aureus. This also raises interesting general questions regarding functional consequences of gene transfer events and their putative implications for the adaptation and evolution of bacterial pathogens.
The pathogen Staphylococcus aureus causes a broad range of severe diseases and is feared for its ability to rapidly develop resistance to antibiotic substances. The increasing number of highly resistant S. aureus infections has accelerated the search for alternative treatment options to close the widening gap in anti-S. aureus therapy. This study analyses the humoral immune response to vaccination of Balb/c mice with sublethal doses of live S. aureus. The elicited antibody pattern in the sera of intravenously and intramuscularly vaccinated mice was determined using of a recently developed protein array. We observed a specific antibody response against a broad set of S. aureus antigens which was stronger following i.v. than i.m. vaccination. Intravenous but not intramuscular vaccination protected mice against an intramuscular challenge infection with a high bacterial dose. Vaccine protection was correlated with the strength of the anti-S. aureus antibody response. This study identified novel vaccine candidates by using protein microarrays as an effective tool and showed that successful vaccination against S. aureus relies on the optimal route of administration.
Community-acquired (CA) Staphylococcus aureus cause various diseases even in healthy individuals. Enhanced virulence of CA-strains is partly attributed to increased production of toxins such as phenol-soluble modulins (PSM). The pathogen is internalized efficiently by mammalian host cells and intracellular S. aureus has recently been shown to contribute to disease. Upon internalization, cytotoxic S. aureus strains can disrupt phagosomal membranes and kill host cells in a PSM-dependent manner. However, PSM are not sufficient for these processes. Here we screened for factors required for intracellular S. aureus virulence. We infected escape reporter host cells with strains from an established transposon mutant library and detected phagosomal escape rates using automated microscopy. We thereby, among other factors, identified a non-ribosomal peptide synthetase (NRPS) to be required for efficient phagosomal escape and intracellular survival of S. aureus as well as induction of host cell death. By genetic complementation as well as supplementation with the synthetic NRPS product, the cyclic dipeptide phevalin, wild-type phenotypes were restored. We further demonstrate that the NRPS is contributing to virulence in a mouse pneumonia model. Together, our data illustrate a hitherto unrecognized function of the S. aureus NRPS and its dipeptide product during S. aureus infection.
A central question to biology is how pathogenic bacteria initiate acute or chronic infections. Here we describe a genetic program for cell-fate decision in the opportunistic human pathogen Staphylococcus aureus, which generates the phenotypic bifurcation of the cells into two genetically identical but different cell types during the course of an infection. Whereas one cell type promotes the formation of biofilms that contribute to chronic infections, the second type is planktonic and produces the toxins that contribute to acute bacteremia. We identified a bimodal switch in the agr quorum sensing system that antagonistically regulates the differentiation of these two physiologically distinct cell types. We found that extracellular signals affect the behavior of the agr bimodal switch and modify the size of the specialized subpopulations in specific colonization niches. For instance, magnesium-enriched colonization niches causes magnesium binding to S. aureusteichoic acids and increases bacterial cell wall rigidity. This signal triggers a genetic program that ultimately downregulates the agr bimodal switch. Colonization niches with different magnesium concentrations influence the bimodal system activity, which defines a distinct ratio between these subpopulations; this in turn leads to distinct infection outcomes in vitro and in an in vivo murine infection model. Cell differentiation generates physiological heterogeneity in clonal bacterial infections and helps to determine the distinct infection types.
Scaffold proteins are ubiquitous chaperones that promote efficient interactions between partners of multi-enzymatic protein complexes; although they are well studied in eukaryotes, their role in prokaryotic systems is poorly understood. Bacterial membranes have functional membrane microdomains (FMM), a structure homologous to eukaryotic lipid rafts. Similar to their eukaryotic counterparts, bacterial FMM harbor a scaffold protein termed flotillin that is thought to promote interactions between proteins spatially confined to the FMM. Here we used biochemical approaches to define the scaffold activity of the flotillin homolog FloA of the human pathogen Staphylococcus aureus, using assembly of interacting protein partners of the type VII secretion system (T7SS) as a case study. Staphylococcus aureus cells that lacked FloA showed reduced T7SS function, and thus reduced secretion of T7SS-related effectors, probably due to the supporting scaffold activity of flotillin. We found that the presence of flotillin mediates intermolecular interactions of T7SS proteins. We tested several small molecules that interfere with flotillin scaffold activity, which perturbed T7SS activity in vitro and in vivo. Our results suggest that flotillin assists in the assembly of S. aureus membrane components that participate in infection and influences the infective potential of this pathogen.
Staphylococcus aureus ist ein grampositives Bakterium, welches häufig als kommensaler Besiedler auf der Nasen- und Rachenschleimhaut von Säugetieren vorkommt. Darüber hinaus besitzt dieser fakultativ pathogene Mikroorganismus die Fähigkeit schwer zu behandelnde Krankenhausinfektionen auszulösen. Aufgrund der weiten Verbreitung von Antibiotikaresistenzen und dem Mangel an effektiven Therapien, verursachen S. aureus Infektionen jährlich enorme Kosten für das Gesundheitssystem. S. aureus wird meist von der Nase zum primären Infektionsort übertragen, wodurch zunächst sehr häufig Wund- und Weichteilinfektionen hervor gerufen werden. Von diesem primären Infektionsort ausgehend, kann der Erreger tiefer liegende Gewebsschichten infizieren oder sich über den Blutstrom im gesamten Organismus ausbreiten. Das Spektrum an Krankheitsbildern reicht von leichten Abszessen der Haut bis zu schweren, lebensbedrohlichen Erkrankungen wie Pneumonien und akuter Sepsis.
Für die erfolgreiche Kolonisierung und Infektion des Wirtes exprimiert S. aureus eine Vielzahl unterschiedlicher Virulenzfaktoren. Die wohl größte Gruppe an Virulenzfaktoren umfasst die Proteine, die an der Immunevasion und der Umgehung von verschiedenen Abwehrstrategien des Immunsystems beteiligt sind. Das bisherige Wissen über die Interaktion von S. aureus mit dem Immunsystem des Wirtes und die zugrunde liegenden Pathogenitätsmechanismen ist bisher limitiert.
Um neue Erkenntnisse über die Interaktion von Wirt und Pathogen zu erlangen, wurden im Rahmen dieser Arbeit bislang unbekannte sekretierte und Oberflächen-assoziierte Proteine von S. aureus funktionell charakterisiert. Die Funktion der ausgewählten Proteine wurde in vitro hinsichtlich Einfluss auf Komponenten des Immunsystems, Adhäsion an Wirtsfaktoren und Invasion in eukaryotische Zellen untersucht.
Mit Hilfe der vorangegangenen in-vitro-Charakterisierung der putativen Virulenzfaktoren, konnte für die cytoplasmatische Adenylosuccinat-Synthase PurA eine neuartige Funktion identifiziert werden. PurA ist bekannt als essentielles Enzym der de novo Purin-Synthese. In dieser Arbeit wurde nun gezeigt, dass PurA zudem an der Immunevasion beteiligt ist. Durch die Bindung des humanen Faktor H des Komplementsystems schützt PurA S. aureus vor der lytischen Aktivität des Komplementsystems und verhindert die Opsonisierung des Pathogens. Basierend auf diesen Ergebnissen wurde PurA detailliert charakterisiert. In Bindungsstudien mit rekombinantem Faktor H und PurA wurde eine direkte Interaktion beider Proteine nachgewiesen, wobei Faktor H mit dem N-terminalen Bereich von PurA interagiert. Weiterhin konnte PurA durch Immunfluoreszenz und FACS-Analysen auf der Zelloberfläche nachgewiesen werden, wo es wahrscheinlich mit der Zellwand assoziiert vorliegt. Dort rekrutiert es Faktor H an die bakterielle Oberfläche und verhindert das Fortschreiten der Komplement-Kaskade und damit die Lyse des Pathogens. Aufgrund der Multifunktionalität zählt PurA somit zur Gruppe der Moonlighting Proteine.
Des Weiteren wurde die Rolle von PurA im Infektionsgeschehen in zwei unabhängigen Tiermodellen untersucht. In beiden Modellen wurde ein signifikant reduziertes Virulenzpotential der ΔpurA-Mutante beobachtet. Zukünftig soll geklärt werden, ob die verminderte Virulenz in der fehlenden Komplementevasion oder im Defekt in der Purin-Synthese begründet ist. Aufgrund der sehr starken Attenuation in allen untersuchten Infektionsmodellen sollte PurA als potentielles Target für eine Therapie von S. aureus Infektionen weiter charakterisiert werden. Im Ergebnis dieser Arbeit wurde demnach mit PurA ein neues Moonlighting Protein identifiziert, das als Inhibitor des Komplementsystems wesentlich zur Immunevasion von S. aureus beiträgt.
Für das bessere Verständnis der humoralen S. aureus-spezifischen Immunantwort, Unterschieden in der Antikörperantwort und der gebildeten Antikörperspezifitäten wurde weiterhin das während der Kolonisierung und Infektion gebildete S. aureus-spezifische Antikörperprofil untersucht. Dazu wurden Plasmen von humanen nasalen Trägern und Nicht-Trägern sowie murine Seren von infizierten Tieren untersucht. Insbesondere wurde das Pathogen-spezifische Antikörperprofil in unterschiedlichen Infektionsmodellen mit Hilfe eines Proteinarrays analysiert, der im Rahmen dieser Arbeit in einer Kooperation mit der Firma Alere Technologies (Jena, Deutschland) und universitären Forschergruppen der Universitäten Greifswald, Münster und Jena mitentwickelt wurde. Die Antikörperprofile von intramuskulär und intravenös infizierten Tieren resultierten in jeweils spezifischen Antikörperprofilen. Diese Ergebnisse deuten auf einen Zusammenhang zwischen der Art der Infektion und der gebildeten Antikörperspezifitäten hin. Wahrscheinlich beruht dies auf einer gewebespezifischen Genexpression als Anpassung an die individuellen Bedürfnisse im Wirtsorganismus. Das ausgebildete Antikörperprofil gibt somit einen Einblick in das Expressionsmuster von Virulenzfaktoren von S. aureus unter in vivo Bedingungen und trägt damit zum Verständnis der komplexen Interaktion von Pathogen und Wirt bei. Diese Untersuchungen ergänzen zudem die bisherigen Kenntnisse über die Anpassung der humoralen Immunantwort an eine asymptomatische Kolonisierung im Gegensatz zu einer akuten Infektion durch S. aureus. Darüber hinaus können die gewonnenen Ergebnisse für diagnostische Zwecke und zur Identifikation von neuen Zielstrukturen für eine Vakzin-Entwicklung genutzt werden.
Biofilm formation by Staphylococcus aureus represents a problem in both the medical field and the food industry, because the biofilm structure provides protection to embedded cells and it strongly attaches to surfaces. This circumstance is leading to many research programs seeking new alternatives to control biofilm formation by this pathogen. In this study we show that a potent inhibition of biofilm mass production can be achieved in community-associated methicillin-resistant S. aureus (CA-MRSA) and methicillin-sensitive strains using plant compounds, such as individual constituents (ICs) of essential oils (carvacrol, citral, and (+)-limonene). The Crystal Violet staining technique was used to evaluate biofilm mass formation during 40 h of incubation. Carvacrol is the most effective IC, abrogating biofilm formation in all strains tested, while CA-MRSA was the most sensitive phenotype to any of the ICs tested. Inhibition of planktonic cells by ICs during initial growth stages could partially explain the inhibition of biofilm formation. Overall, our results show the potential of EOs to prevent biofilm formation, especially in strains that exhibit resistance to other antimicrobials. As these compounds are food additives generally recognized as safe, their anti-biofilm properties may lead to important new applications, such as sanitizers, in the food industry or in clinical settings.
Staphylococcus aureus ist einer der häufigsten Erreger von nosokomialen Infektionen. Diese grampositiven Bakterien verursachen neben harmlosen oberflächlichen Hautinfektionen auch lebensbedrohliche Systeminfektionen. Ein großes Problem in der Therapie von S. aureus-Infektionen stellen die zunehmenden Multiresistenzen dar. Die Entwicklung neuer Antibiotika wird zukünftig wahrscheinlich nicht ausreichen, da immer wieder neue Resistenzen der Bakterien zu erwarten sind. Es besteht daher dringender Bedarf an der Entwicklung alternativer Therapieformen im Kampf gegen multiresistente Problemkeime wie S. aureus. Eine Möglichkeit besteht in der Immuntherapie, zum Beispiel durch Gewinnung von monoklonalen Antikörpern gegen geeignete Targetstrukturen von S. aureus. Ziel dieser Arbeit war es, zunächst zwei Proteine IsaA und IsaB herzustellen, um diese Proteine für Immunisierungsstudien zu nutzen. Zunächst wurde das gereinigte IsaA-Protein verwendet, um ein Kaninchen zu immunisieren. Mit den daraus gewonnenen Antikörpern wurden dann erste Tierversuche begonnen, um die Bedingungen für den therapeutischen Einatz von gegen IsaA-gerichteten Antikörpern zu ermitteln und die Wirksamkeit einer Antikörper-Behandlung zu evaluieren. Für die Herstellung der gewünschten Proteine wurden die Gensequenzen zunächst aus verschiedenen S. aureus-Stämmen mittels PCR amplifiziert und in den kommerziellen Expressionsvektor pQE30 kloniert. Die amplifizierte Gensequenz stammt aus den klinischen Stämmen 418 (IsaA) bzw. 134 (IsaB). Nach der Klonierung wurden geeignete Expressions- und Reinigungsstrategien entwickelt. Dabei wurden folgende Bedingungen als optimal für Wachstum und Überexpression herausgearbeitet: IsaA: Induktion der Überexpression mit 100 µM IPTG, 3 h Wachstum bei 37°C. IsaB: Induktion der Überexpression mit 100 µM IPTG, 4 h Wachstum bei 37°C. Es stellte sich auch heraus, dass IsaA zunächst in nur unzureichender Quantität vorhanden bzw. exprimiert worden war. Die Vermutung, dass IsaA überwiegend im Pellet in sogenannten Einschlusskörpern (inclusion bodies) eingeschlossen war, erklärte dieses Phänomen. Das Protein konnte erfolgreich aus dem Pellet isoliert werden. Die Produktion und Aufreinigung beider Proteine IsaA und IsaB unter optimierten Bedingungen ergab, dass beide Proteine nun in ausreichender Menge und Konzentration für die folgende Immunisierung und die weiteren Arbeiten vorlagen. Aus Kaninchen, die mit IsaA immunisiert wurden, konnten polyklonale Antikörper gewonnen werden, die die Grundlage für einen ersten Tierversuch mit 24 Ratten bildeten. Hierbei zeigte sich, dass die Tiere, die mit 1.000.000.000 Bakterien infiziert worden waren deutlich stärkere Infektionszeichen aufwiesen als diejenigen, die mit 100.000.000 Bakterien infiziert worden waren. Weiterhin wurde deutlich, dass die Tiere, die Serum (mit Antikörper gegen IsaA) erhalten hatten, gegenüber den Vergleichstieren mit Placebo einen deutlichen Vorteil hinsichtlich Infektionszeichen und Immunantwort hatten. Somit belegen die tierexperimentiellen Ergebnisse in dieser Arbeit erstmalig den therapeutischen Nutzen von Antikörpern gegen IsaA. IsaA ist demnach ein geeignetes Target für eine Immuntherapie gegen S. aureus.