Refine
Has Fulltext
- yes (419)
Is part of the Bibliography
- yes (419)
Year of publication
Document Type
- Journal article (289)
- Doctoral Thesis (123)
- Book article / Book chapter (2)
- Conference Proceeding (2)
- Review (2)
- Preprint (1)
Keywords
- Infektionsbiologie (57)
- Escherichia coli (41)
- Candida albicans (25)
- Staphylococcus aureus (15)
- Virulenzfaktor (12)
- Legionella pneumophila (11)
- escherichia coli (11)
- gene expression (11)
- Biofilm (10)
- Genexpression (10)
Institute
- Institut für Molekulare Infektionsbiologie (419) (remove)
Sonstige beteiligte Institutionen
- Universitätsklinikum Münster (2)
- Genelux Corporation, San Diego Science Center, 3030 Bunker Hill Street, Suite 310, San Diego, California 92109, USA (1)
- 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)
Wirtsspezifität der Gattung Legionella und Etablierung von Dictyostelium discoideum als Wirtsmodell
(2002)
Bei der Gattung Legionella handelt es sich um aquatische Stäbchenbakterien, die sich intrazellulär in verschiedenen Protozoen vermehren können. Neben der Nutzung des Protozoenwirtes können humanpathogene Legionella-Spezies in den Alveolarmakrophagen des menschlichen Respirationstraktes replizieren. Diese Besiedelung der Lunge kann zu einer atypischen Pneumonie, der Legionärskrankheit, führen. Humanpathogene Vertreter der Gattung Legionella weisen somit ein duales Wirtssystem auf. Die Wirtsspezifität phylogenetisch verschiedener Legionella Spezies wurde bislang nicht systematisch analysiert. Mit Hilfe von Infektionsversuchen konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass für unterschiedlichste Legionella Spezies Acanthamoeba castellanii ein gut geeigneter Wirt darstellt. Hartmannella vermiformis und Naegleria gruberi ermöglichen dagegen nur einem eingeschränkten Legionella-Spektrum ein intrazelluläres Wachstum. Die jeweils höchsten Vermehrungsraten zeigten dabei in allen Amöben die Umweltisolate LLAP 10 und L. lytica sowie der humanpathogene Stamm L. pneumophila Corby. Außerdem scheint die Virulenz humanpathogener Legionellen-Spezies korreliert zu sein mit der Nutzung eines breiten Wirtsspektrums. Ciliaten wie Tetrahymena pyriformis sind im Gegensatz zu den Amöben als Wirte nicht so gut geeignet. Im Vergleich zu den Amöben ist sowohl die Anzahl der sich intrazellulär in T. pyriformis replizierenden Legionella-Spezies sowie deren Replikationsrate erniedrigt. Ein Schwerpunkt dieser Arbeit war es Dictyostelium discoideum als neues Wirtsmodell zu etablieren. Bei dieser gut erforschten Bodenamöbe stehen zahlreiche molekularbiologische Methoden für das Manipulieren des Genoms zur Verfügung. Somit ist es möglich, die während einer Infektion benötigten Wirtsfaktoren von Seiten der Amöbe näher zu untersuchen. Mittels Infektionsversuchen sowie fluoreszenz- und elektronenmikroskopischer Methoden konnte die intrazelluläre Replikation von LLAP 10, L. lytica und L. pneumophila in D. discoideum gezeigt werden. Für L. pneumophila konnte durch FACS-Analyse festgestellt werden, dass Bakterien dieser Legionella-Spezies genauso wie in den bisher untersuchten Wirtszellesystemen zu Beginn der Infektion in einem nicht angesäuerten Kompartiment vorliegen. Für alle weiteren verwendeten Legionella Spezies sowie hitzeabgetötete L. pneumophila und die Futterbakterien Klebsiella aerogenes konnte dagegen eine Ansäuerung des Phagosoms nachgewiesen werden. Kolokalisierungsstudien des lysosomalen Markers DdLIMP mit Legionellen bestätigte außerdem eine Inhibierung der Phagolysosomfusion bei L. pneumophila, nicht jedoch bei der sich nicht replizierenden Spezies L. hackeliae. Die Untersuchung einer spezifischen Profilin-minus Dictyostelium-Mutante offenbarte eine erhöhte Phagozytoserate von Legionellen durch die Wirtszellen. Daraus resultierte auch eine leicht gesteigerte intrazelluläre Vermehrungsrate dieser Bakterien. Profilin ist ein Aktin-bindendes Protein und an der Regulation von Aufnahmeprozessen beteiligt. Weiterhin wurde in dieser Arbeit eine Methode zur Isolierung Bakterien-haltiger Phagosomen aus D. discoideum etabliert. Die magnetische Reinigung von Phagosomen über paramagnetische, Bakterien-konjugierte Beads erwies sich als nicht praktikabel. Die daraufhin entwickelte Anreicherung der Phagosomen über Dichtegradienten-Zentrifugation erforderte jedoch zusätzlich die Eliminierung kontaminierender Lysosomen und Mitochondrien. Die Analyse des phagosomalen Proteoms erfolgte mittels Messung von Enzymaktivitäten und Western-Blotting-Experimenten. Dabei konnten keine quantitativen Unterschiede typischer lysosomaler Marker zwischen gereiften und ungereiften Phagosomen mit lebenden bzw. toten L. pneumophila detektiert werden. Ebenso verlief der Vergleich von ungereiften LLAP 10-haltigen Phagosomen und gereiften Klebsiella-haltigen Phagosomen. Dagegen zeigte die 2D-Gelelektrophorese des phagosomalen Proteoms vier Proteine, die in Phagosomen mit toten L. pneumophila Corby stärker exprimiert waren als in Phagosomen mit lebenden Legionellen. Weiterhin wurde ein Protein detektiert, das für Phagosomen, die lebende L. pneumophila Bakterien beinhalten, spezifisch ist. Dabei könnte es sich um einen von L. pneumophila zur Replikationsvakuole rekrutierten Wirtsfaktor handeln.
Scientific research is a process concerned with the creation, collective accumulation, contextualization, updating and maintenance of knowledge. Wikis provide an environment that allows to collectively accumulate, contextualize, update and maintain knowledge in a coherent and transparent fashion. Here, we examine the potential of wikis as platforms for scholarly publishing. In the hope to stimulate further discussion, the article itself was drafted on Species-ID – a wiki that hosts a prototype for wiki-based scholarly publishing – where it can be updated, expanded or otherwise improved.
Background:
During the last years, (19)F-MRI and perfluorocarbon nanoemulsion (PFC) emerged as a powerful contrast agent methodology to track cells and to visualize inflammation. We applied this new modality to visualize deep tissue abscesses during acute and chronic phase of inflammation caused by Staphylococcus aureus infection.
Methodology and Principal Findings:
In this study, a murine thigh infection model was used to induce abscess formation and PFC or CLIO (cross linked ironoxides) was administered during acute or chronic phase of inflammation. 24 h after inoculation, the contrast agent accumulation was imaged at the site of infection by MRI. Measurements revealed a strong accumulation of PFC at the abscess rim at acute and chronic phase of infection. The pattern was similar to CLIO accumulation at chronic phase and formed a hollow sphere around the edema area. Histology revealed strong influx of neutrophils at the site of infection and to a smaller extend macrophages during acute phase and strong influx of macrophages at chronic phase of inflammation.
Conclusion and Significance:
We introduce (19)F-MRI in combination with PFC nanoemulsions as a new platform to visualize abscess formation in a murine thigh infection model of S. aureus. The possibility to track immune cells in vivo by this modality offers new opportunities to investigate host immune response, the efficacy of antibacterial therapies and the influence of virulence factors for pathogenesis.
A total of 127 extraintestinal Escherichia coli strains of the capsule serotypes Kl, KS, and KlOO from human and animal sources were analyzed for DNA sequences specific for the genes for various adhesins (P fimbriae fpap] and P-related sequences fprs], S fimbriae [s/a)/FlC fimbriae [foc], and type I fimbriae lfim]), aerobactin (aer), and hemolysin (hly). The expression of corresponding virulence factors was also tested. Twenty-four selected strains were analyzed by long-range DNA mapping to evaluate their genetic relationships. DNA sequences for the adhesins were often found in strains not expressing them, while strains with hemolysin and aerobactin genes usually did express them. Different isolates of the same serotype orten expressed different virulence patterns. The use of virulence-associated gene probes for Southern hybridization with genomic DNA fragments separated by pulsed-field gel electrophoresis revealed that a highly heterogeneous restriction fragment length and hybridization pattern existed even within strains of the same serotype. Long-range DNA mapping is therefore useful for the evaluation of genetic relatedness among individual isolates and facilitates the performance of .precise molecular epidemiology.
A total of 16 Escherichia coli 06 strains isolated from cases of extraintestinal infections were analysed for the genetic presence and phenotypic expression of fimbrial adhesins ( P, S/FIC, type I), aerobactin and hemolysin. ln addition restriction fragment length polymorphisms (RFLPs) of Xbal-cleaved genomic DNA of seven selected strains, separated by orthogonal field alternation gel electrophoresis {OFAGE) were determined and virulence-associated DNA probes were used for Southern hybridization studies of the Xbal-cleaved genomic DNAs. The virulence characteristics and hybridization patterns obtained differed between the various isolates. ln three isolates hemolysin genes and P fimbrial determinants were located on the same Xbal fragments. Furthermore, multiple copies of FIC determinants (foc) could be detected in two strains. Our data show that the new technique of pulse field electrophoresis tagether with Southern hybridization represents a powerful tool for the genetic analysis of pathogenic bacteria.
Background: In principle, the elimination of malignancies by oncolytic virotherapy could proceed by different mechanisms - e.g. tumor cell specific oncolysis, destruction of the tumor vasculature or an anti-tumoral immunological response. In this study, we analyzed the contribution of these factors to elucidate the responsible mechanism for regression of human breast tumor xenografts upon colonization with an attenuated vaccinia virus (VACV). Methods: Breast tumor xenografts were analyzed 6 weeks post VACV infection (p.i.; regression phase) by immunohistochemistry and mouse-specific expression arrays. Viral-mediated oncolysis was determined by tumor growth analysis combined with microscopic studies of intratumoral virus distribution. The tumor vasculature was morphologically characterized by diameter and density measurements and vessel functionality was analyzed by lectin perfusion and extravasation studies. Immunological aspects of viral-mediated tumor regression were studied in either immune-deficient mouse strains (T-, B-, NK-cell-deficient) or upon cyclophosphamide-induced immunosuppression (MHCII+-cell depletion) in nude mice. Results: Late stage VACV-infected breast tumors showed extensive necrosis, which was highly specific to cancer cells. The tumor vasculature in infected tumor areas remained functional and the endothelial cells were not infected. However, viral colonization triggers hyperpermeability and dilatation of the tumor vessels, which resembled the activated endothelium in wounded tissue. Moreover, we demonstrated an increased expression of genes involved in leukocyte-endothelial cell interaction in VACV-infected tumors, which orchestrate perivascular inflammatory cell infiltration. The immunohistochemical analysis of infected tumors displayed intense infiltration of MHCII-positive cells and colocalization of tumor vessels with MHCII+/CD31+ vascular leukocytes. However, GI-101A tumor growth analysis upon VACV-infection in either immunosuppressed nude mice (MHCII+-cell depleted) or in immune-deficient mouse strains (T-, B-, NK-cell-deficient) revealed that neither MHCII-positive immune cells nor T-, B-, or NK cells contributed significantly to VACV-mediated tumor regression. In contrast, tumors of immunosuppressed mice showed enhanced viral spreading and tumor necrosis. Conclusions: Taken together, these results indicate that VACV-mediated oncolysis is the primary mechanism of tumor shrinkage in the late regression phase. Neither the destruction of the tumor vasculature nor the massive VACV-mediated intratumoral inflammation was a prerequisite for tumor regression. We propose that approaches to enhance viral replication and spread within the tumor microenvironment should improve therapeutical outcome.
Vibrio cholerae Phage K139
(2002)
Bisher sind ca. 190 verschiedene Vibriophagen beschrieben, nur 10 davon stellen filamentöse Phagen dar, der Rest gehört zu den sogenannten Caudovirales, d.h. sie weisen ein kubisches Nukleokapsid mit einem mehr oder weniger langen Schwanz auf. Der letzteren Gruppe ist auch der Phage K139 zuzurechnen. K139 ist ein temperenter Phage, dessen Wirtsspektrum sich nach bisherigen Erkenntnissen auf V. cholerae Stämme der Serogruppen O1 und O139 beschränkt. Als Rezeptor dient ihm dabei das O1 Lipopolysaccharid (LPS), Morphologisch ist er der Familie der Myoviridae zuzurechnen, innerhalb des Klassifikations-Schemas der Vibriophagen den Kappa-Phagen. Diese Phagengruppe weist eine hohe Assoziation mit epidemischen O1 El Tor Stämmen auf, es gibt aber keine Hinweise auf eine Beteiligung an der Virulenz von V. cholerae. In dieser Arbeit wurde die vollständige K139 Genomsequenz ermittelt. Diese besteht aus 33.1 kb ds DNA, die Sequenzierung deutet auf eine terminale Redundanz hin. Zusammen mit dem bereits bekannten Sequenzabschnitt ergab sich eine Zahl von insgesamt 44 offenen Leserastern (ORFs). Sowohl auf Sequenzebene als auch hinsichtlich der Organisation des Genoms konnte eine Verwandtschaft von K139 zu den P2-Phagen gefunden werden. Insgesamt weisen 26 ORFs Homologie zu P2 Genprodukten auf. Für 14 ORFs war eine Funktionszuordnung basierend auf der Homologie zu bereits bekannten Proteinen möglich. Auch über die Analyse der Sequenzmotive wurde versucht, Hinweise auf eine mögliche Funktion der putativen Proteine zu erhalten. Zur Unterstützung der bioinformatischen Auswertung wurden weiterführende Untersuchungen angestellt. So wurden die Proteine des Phagenpartikels mittels 2D SDS-PAGE und MALDI-TOF analysiert. Auf diese Weise konnten vier putative Kapsid- und drei putative Schwanz-Proteine als Bestandteil des Phagenpartikels ermittelt werden. Weiterhin wurde durch Überexpression und Restriktionsanalysen Orf8 als Adenin-spezifische Methyltransferase identifiziert. Als Methylierungssequenz wurde die Basenabfolge 5´-GATC-3´ ermittelt. Ein weiterer Schwerpunkt lag auf der Funktionszuordnung putativer Genregulatoren. Dies wurde einmal für die Proteine Orf2 und CI durch Überexpression und Konstruktion von Deletionsmutanten und deren phänotypischer Bestimmung in Plaque-Assays untersucht. Dabei konnte Orf2 eine mögliche Schutzfunktion vor superinfizierenden Phagen zugeschrieben werden. Widersprüchlich sind dagegen die Ergebnisse für die Funktion von CI, das aufgrund seiner Homologie als Repressor der Lyse dienen sollte. Zum zweiten wurde in einem Promotor-Test System der Einfluß der Proteine CI, Orf2, 8, 11, 12 und 13 auf vier verschiedene putative Promotor-Bereiche von K139 untersucht. Weiterhin wurde durch Southern Blot Analysen die Verbreitung von K139 innerhalb verschiedener V. cholerae Isolate untersucht. Dabei wurden in 50% der O1 und O139 und in 7% der Nicht-O1/O139 Stämme ein positives Hybridisierungssignal gefunden. Dabei zeigten der O1 klassische Stamm sowie zwei Nicht-O1/O139 Stämme ein verändertes Restriktionsmuster. Nähere Untersuchungen der verschiedenen Phagentypen mittels Southern-Blot und PCR zeigten eine hohe Verwandtschaft, lediglich eine Region, die der K139 Genomregion zwischen dem rep und dem orf15 Gen entspricht, zeigte auffällige Unterschiede. Die Sequenzierung ergab eine auffallend mosaikartige Struktur mit homologen und nicht-homologen Sequenzabschnitten im Vergleich der Phagen untereinander. Schließlich wurde noch eine weitere Genregion sequenziert, orf35 bis orf36, in der wirtsspezifische Sequenzunterschiede vermutet wurden. Für die Sequenz von orf35, das für das putative Schwanzfaser Protein kodiert, konnte eine mosaikartige Struktur ermittelt werden, die durch die Anwesenheit von zwei konservierten (C1 und C2) und zwei variablen (V1 und V2) Regionen zustande kommt. Die Kombination der variablen Bereiche ergab drei verschiedene Schwanzfaser-Protein Typen. Überraschenderweise korrelieren diese Typen nicht mit der Serogruppe des Wirtes. So konnte der gleiche Schwanzfaser-Typ in drei verschiedenen Serogruppen gefunden werden. Als Grund hierfür wird die Fähigkeit von V. cholerae diskutiert, durch horizontalen Gentransfer ein neues LPS Biosynthese-Cluster zu erwerben und damit die Serogruppe zu wechseln.
Bacteriosponges contain large amounts of morphologically and phylogenetically diverse microorganisms in their mesohyl. The association is permanent, stable and highly specific, however, little is known about the establishment and maintenance of this association. The first aim of this Ph.D. thesis was to examine cospeciation between eight Aplysina species from the Mediterranean and Caribbean and their cyanobacterial associates. Host phylogeny was constructed with 18S rDNA and ITS-2 sequences using an alignment based on the secondary structure of the molecular markers and five different algorithms each. The genus Aplysina appeared as monophyletic. Aplysina sponges could be distinguished into a Caribbean and a Mediterranean cluster and a possible Tethyan origin is suggested. Comparison of the host phylogeny to the 16S rDNA phylogeny of the cyanobacterial strains revealed the lack of a congruent pattern. Therefore it is proposed that Aplysina sponges have not cospeciated with their cyanobacterial phylotypes and probably also not with other sponge specific microbes. The second aim of this Ph.D. thesis was to examine vertical transmission of microorganisms through reproductive stages of sponges. A general transmission electron microscopy (TEM) suvey revealed a clear correlation in that bacteriosponges always contained many microorganisms in their reproductive stages whereas non-bacteriosponges were always devoid of microbes in their reproductive stages. The transmission of the microbial community via sponge reproductive stages is concluded. Based on the previous results Ircinia felix was chosen for a detailed documentation of vertical transmission. I. felix larvae contained large amounts of microorganisms extracellularly in the central region whereas the outer region was almost free of microbes as shown by TEM. In I. felix juveniles microorganisms were located between densely packed sponge cells. The microbial profiles of I. felix adult, larvae, and juveniles were compared using denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE). Similar microbial community patterns were found in adult and the respective larvae indicating that a large subset of the adult microbial community was vertically transmitted. In contrast, microbial communities of larvae pools released by different adult individuals seemed to be more variable. Juvenile banding patterns were a mixture of sponge specific and seawater microbes due to DNA extraction artefacts but demonstrated that at least half of the adult microbial community is present in the next generation. Finally, a comprehensive phylogenetic analysis was conducted by sequencing excised DGGE bands from adult and offspring of the bacteriosponges Agelas wiedenmayeri, I. felix, and Smenospongia aurea and by taking additional 16S rDNA sequences of Ectyoplasia ferox and Xestospongia muta (unpublished data of the laboratory). The identification of 24 vertical transmission clusters in at least 8 eubacterial phyla demonstrates that a complex and uniform microbial community is transferred via sponge reproductive stages. Vertical transmission is specific in that the microorganisms of bacteriosponges, but not those from seawater, are passed on, but unselective in that there appears to be no differentiation between individual sponge-specific lineages. In conclusion, vertical transmission points to a mutualistic and long-term association of bacteriosponges and complex microbial consortia.
Multidrug-resistant bacteria represent one of the most important health care problems worldwide. While there are numerous drugs available for standard therapy, there are only a few compounds capable of serving as a last resort for severe infections. Therefore, approaches to control multidrug-resistant bacteria must be implemented. Here, a strategy of reactivating the established glycopeptide antibiotic vancomycin by structural modification with polycationic peptides and subsequent fatty acid conjugation to overcome the resistance of multidrug-resistant bacteria was followed. This study especially focuses on the structure–activity relationship, depending on the modification site and fatty acid chain length. The synthesized conjugates showed high antimicrobial potential on vancomycin-resistant enterococci. We were able to demonstrate that the antimicrobial activity of the vancomycin-lipopeptide conjugates depends on the chain length of the attached fatty acid. All conjugates showed good cytocompatibility in vitro and in vivo. Radiolabeling enabled the in vivo determination of pharmacokinetics in Wistar rats by molecular imaging and biodistribution studies. An improved biodistribution profile in comparison to unmodified vancomycin was observed. While vancomycin is rapidly excreted by the kidneys, the most potent conjugate shows a hepatobiliary excretion profile. In conclusion, these results demonstrate the potential of the structural modification of already established antibiotics to provide highly active compounds for tackling multidrug-resistant bacteria.
Multidrug‐resistant bacteria represent one of the biggest challenges facing modern medicine. The increasing prevalence of glycopeptide resistance compromises the efficacy of vancomycin, for a long time considered as the last resort for the treatment of resistant bacteria. To reestablish its activity, polycationic peptides were conjugated to vancomycin. By site‐specific conjugation, derivatives that bear the peptide moiety at four different sites of the antibiotic were synthesized. The most potent compounds exhibited an approximately 1000‐fold increased antimicrobial activity and were able to overcome the most important types of vancomycin resistance. Additional blocking experiments using d‐Ala‐d‐Ala revealed a mode of action beyond inhibition of cell‐wall formation. The antimicrobial potential of the lead candidate FU002 for bacterial infection treatments could be demonstrated in an in vivo study. Molecular imaging and biodistribution studies revealed that conjugation engenders superior pharmacokinetics.
Introduction: Surgery is currently the definitive treatment for early-stage breast cancer. However, the rate of positive surgical margins remains unacceptably high. The human sodium iodide symporter (hNIS) is a naturally occurring protein in human thyroid tissue, which enables cells to concentrate radionuclides. The hNIS has been exploited to image and treat thyroid cancer. We therefore investigated the potential of a novel oncolytic vaccinia virus GLV1h-153 engineered to express the hNIS gene for identifying positive surgical margins after tumor resection via positron emission tomography (PET). Furthermore, we studied its role as an adjuvant therapeutic agent in achieving local control of remaining tumors in an orthotopic breast cancer model.
Methods: GLV-1h153, a replication-competent vaccinia virus, was tested against breast cancer cell lines at various multiplicities of infection (MOIs). Cytotoxicity and viral replication were determined. Mammary fat pad tumors were generated in athymic nude mice. To determine the utility of GLV-1h153 in identifying positive surgical margins, 90% of the mammary fat pad tumors were surgically resected and subsequently injected with GLV-1h153 or phosphate buffered saline (PBS) in the surgical wound. Serial Focus 120 microPET images were obtained six hours post-tail vein injection of approximately 600 mu Ci of I-124-iodide.
Results: Viral infectivity, measured by green fluorescent protein (GFP) expression, was time-and concentrationdependent. All cell lines showed less than 10% of cell survival five days after treatment at an MOI of 5. GLV-1h153 replicated efficiently in all cell lines with a peak titer of 27 million viral plaque forming units (PFU) ( < 10,000-fold increase from the initial viral dose) by Day 4. Administration of GLV-1h153 into the surgical wound allowed positive surgical margins to be identified via PET scanning. In vivo, mean volume of infected surgically resected residual tumors four weeks after treatment was 14 mm(3) versus 168 mm(3) in untreated controls (P < 0.05).
Conclusions: This is the first study to our knowledge to demonstrate a novel vaccinia virus carrying hNIS as an imaging tool in identifying positive surgical margins of breast cancers in an orthotopic murine model. Moreover, our results suggest that GLV-1h153 is a promising therapeutic agent in achieving local control for positive surgical margins in resected breast tumors.
Transcriptome analysis of individual cells by single-cell RNA-seq (scRNA-seq) has become routine for eukaryotic tissues, even being applied to whole multicellular organisms. In contrast, developing methods to read the transcriptome of single bacterial cells has proven more challenging, despite a general perception of bacteria as much simpler than eukaryotes. Bacterial cells are harder to lyse, their RNA content is about two orders of magnitude lower than that of eukaryotic cells, and bacterial mRNAs are less stable than their eukaryotic counterparts. Most importantly, bacterial transcripts lack functional poly(A) tails, precluding simple adaptation of popular standard eukaryotic scRNA-seq protocols that come with the double advantage of specific mRNA amplification and concomitant depletion of rRNA. However, thanks to very recent breakthroughs in methodology, bacterial scRNA-seq is now feasible. This short review will discuss recently published bacterial scRNA-seq approaches (MATQ-seq, microSPLiT, and PETRI-seq) and a spatial transcriptomics approach based on multiplexed in situ hybridization (par-seqFISH). Together, these novel approaches will not only enable a new understanding of cell-to-cell variation in bacterial gene expression, they also promise a new microbiology by enabling high-resolution profiling of gene activity in complex microbial consortia such as the microbiome or pathogens as they invade, replicate, and persist in host tissue.
S fimbrial adhesins (Sfa) enable pathogenic Escherichia coli strains to bind to sialic acid-containing eucaryotic receptor molecules. In order to determine the inftuence of culture conditions on the expression of the sfa determinant in a wild-type strain, we fused the gene lacZ, coding for the enzyme ß-galactosidase, to the sfaA gene, responsible for the major protein subunit of S fimbriae. By using a plasmid which carries an R6K origin, the sfaA-Iac hybrid construct was site-specifically integrated into the chromosome of the uropathogenic E. coli strain S36WT. The expression of lacZ, which was under the control of the sfa wild-type promoters, was now equivalent to the sfa expression of strain S36WT. With the help of this particular wild-type construct, it was demonstrated that the sfa determinant is better expressed on solid media than in liquid broth. The growth rate bad a strong inftuence on Sfa expression under aerobic but not under anaerobic conditions. Production of Sfa was further regulated by catabolite repression, osmolarity, and temperature.
Die asexuellen Sporen von Aspergillus fumigatus sind ubiquitär verbreitete Luftkeime. Als Saprophyt ist dieser opportunistisch humanpathogene Pilz darauf spezialisiert, polymere Substanzen aus dem umgebenden Milieu zu zersetzen, um daraus die von ihm benötigten Nährstoffe zu generieren und aufzunehmen. Die Fähigkeit, verschiedene Stickstoff- und Kohlenstoffquellen zu verwerten, trägt dabei zu seiner Virulenz bei und hierbei scheint die extrazelluläre Proteolyse eine wichtige Rolle zu spielen. Sekretierte Proteasen, die das umgebende Gewebe während einer Infektion mit A. fumigatus erschließen, könnten somit zu dessen Pathogenität beitragen. Dementsprechend sollte im Rahmen dieser Arbeit die Bedeutung einer Regulation der extrazellulären proteolytischen Aktivität von A. fumigatus für dessen Virulenz untersucht werden. Dies geschah durch Untersuchungen eines konservierten Transkriptionsfaktors, PrtT. Dabei stellte sich heraus, dass PrtT die Expression der drei Hauptproteasen von A. fumigatus, Alp, Mep und Pep stark beeinflusst, in einem murinen Tiermodell der pulmonaren Aspergillose scheint dieser Regulator jedoch keine Rolle für die Pathogenität von A. fumigatus zu spielen. Um einen weiteren Aspekt des pilzlichen Aminosäurestoffwechsels zu beleuchten, wurde die Biosynthese der aromatischen Aminosäuren als mögliche Virulenzdeterminate untersucht. Für den Menschen sind diese Aminosäuren essentiell, weshalb dieser Syntheseweg ein mögliches Ziel für antimykotische Substanzen darstellen könnte. Es konnten mehrere für A. fumigatus essentielle Komponenten des Shikimatweges identifiziert werden, des Weiteren wurden Deletionsmutanten in den Genen aroC und trpA, die für die Chorismatmutase bzw. Anthranilatsynthase der Biosynthese von Phenylalanin und Tyrosin bzw. Tryptophan kodieren, erzeugt und phänotypisch charakterisiert. Deren Untersuchung in einem alternativen Tiermodell der Aspergillose zeigte eine deutlich attenuierte Virulenz. Diese Ergebnisse verdeutlichen, wie wichtig die Biosynthese der aromatischen Aminosäuren für das Wachstum von A. fumigatus ist, und dass ein Eingriff in diesen Syntheseweg eine lohnende Strategie zur Entwicklung neuer Antimykotika sein könnte. Die hier präsentierten Ergebnisse unterstreichen die für den Schimmelpilz A. fumigatus typische Redundanz bezüglich extrazellulärer proteolytischer Enzyme und dass diese nur bedingt hinsichtlich ihres Virulenzbeitrags untersucht werden können. Im Gegensatz hierzu lassen sich bestimmte Stoffwechselwege, die oftmals durch einzigartige Genprodukte katalysiert werden, unter Umständen besser als unspezifische aber vielversprechende Virulenzdeterminanten identifizieren.
In dieser Arbeit werden die Ergebnisse der molekular-epidemiologischen Analyse von Virulenzgenen im Genom von insgesamt 222 Escherichia coli (E. coli)-Isolaten dargestellt, die von Mastitis-Fällen bei Rindern isoliert wurden. Mit Hilfe der Multiplex-Polymerase-Kettenreaktion wurde die Verbreitung von 42 potentiellen Virulenzfaktor-Genen extraintestinal pathogener E. coli (ExPEC) analysiert. Neben der quantitativen Bestimmung des Vorkommens jedes Einzelgens wurde in dieser Arbeit eine differenzierte Auswertung von Genkombinationen bei E. coli Mastitis-Isolaten vorgenommen. Diese ermittelten genetischen Muster werden zur 1. Prävalenz der in der Gesamtheit der Isolate, 2. Prävalenz in den phylogenetischen ECOR-Gruppen, 3. akut klinischen und chronischen Mastitis-Episoden und 4. dem Vorkommen spezifisch tierpathogener Adhäsine korreliert. Die Mastitis-Isolate konnten aufgrund der Virulenzmarkerverteilung und Phylogenie keinem bestimmten charakteristischen Pathotyp zugeordnet werden. Die überwiegende Mehrzahl der Mastitis-Isolate zeigte aufgrund einer geringen Prävalenz Virulenz-assoziierter Gene sowie der Zugehörigkeit zu den phylogenetischen Entwicklungslinien A und B1 ein geringes Virulenzpotential extraintestinal pathogener E. coli. Die Mehrzahl der Stämme enthielt eine singuläre Virulenzdeterminante (83 Stämme; 37,4 %), eine Zweierkombination (69 Stämme; 31,1 %) oder eine Dreierkombination von Virulenzgenen (34 Stämme; 15,3 %). Vier Gene für Virulenzfaktoren in Kombination zeigten sich lediglich in sieben Stämmen (3,1 %). Insbesondere die Anwesenheit von 5 bis 18 differenten Virulenzgenen pro Genom traten nur mit einer geringen Frequenz in zusammen 16 Isolaten (7,2 %) auf. Das absolut häufigste Virulenz-assoziierte Gen, das nachgewiesen wurde, war fimH, das für die mannosespezifische Adhäsinuntereinheit der Typ1-Fimbrien kodiert. Insgesamt gaben 88,7 % aller 222 untersuchten Stämme ein positives Signal in der Multiplex-PCR, und zwar 89,9 % der 199 klinischen Isolate sowie 85,7 % der Isolate chronischer Mastitiden. In etwa der Hälfte aller untersuchten Stämme trat auch das Gen traT auf, das Serumresistenz vermittelt (43,7 %). Die Genkombination fimH-traT wurde in wechselnden Konstellationen in insgesamt 83 Stämmen (37,3 %) gefunden. Sie ist damit die häufigste Virulenzgenkombination in den untersuchten E. coli-Genomen mit multiplen Virulenzdeterminanten. Da bei Rinder-Mastitis besonders in den schweren Fällen systemische Verläufe fördernde Faktoren wie Serumresistenz eine bedeutende Rolle spielen, könnte hier eine Selektion auf genetische Kopplung von traT mit fimH vorliegen. Deutlich geringere Prävalenzen wiesen die Virulenzgene für α-Hämolysin (hlyA, 10,8 %), den Yersiniabactinrezeptor (fyuA, 12,2 %) sowie das ebenfalls an der Serumresistenz beteiligte Gen iss (8,5 %) auf. Nur 13 (5,8 %) der 222 E. coli-Isolate besaßen keines der untersuchten Virulenzgene. Das Fehlen bekannter Virulenzgene in diesen Stämmen deutet darauf hin, dass weitere unberücksichtigte Faktoren eine Rolle bei der Virulenz von Mastitisisolaten spielen könnten oder der Status des Wirtsorganismus in diesen Fällen ausschlaggebend für eine erfolgreiche Infektion des Euters sein könnte. Offensichtlich sind die meisten der untersuchten E. coli- Virulenzfaktoren für die Pathogenese der Rindermastitis von untergeordneter Bedeutung. Von den 222 Isolaten zählten insgesamt 137 Stämme zur phylogenetischen Linie (ECOR-Gruppe) A, 62 zur ECOR-Gruppe B1, 20 zur ECOR-Gruppe B2 und 14 zur Gruppe D. Die Stämme, die zu den phylogenetischen Entwicklungslinien A, B1 und D gehören, unterschieden sich hinsichtlich der Prävalenz der Virulenzfaktormuster nicht vom Gesamtbild. Lediglich Isolate der ECOR-Gruppe B2 wiesen eine für sie typische Häufung von Virulenzgenclustern auf. Das relativ geringe Vorkommen bzw. weitgehende Fehlen (5 von 8) von Adhäsingenen spezifisch tierpathogener E. coli lässt darauf schließen, dass bislang beschriebenen Rinder-pathogenen E. coli keine Bedeutung als Verursacher einer Rindermastitis zukommt. Für die Analyse der chronischen Verlaufsform der Mastitis standen nur 21 Isolate zur Verfügung, die keinen hinreichend gesicherten Vergleich zu den Fällen mit akuter klinischer Mastitis (199 Stämme insgesamt) erlauben. Die auffällige Zunahme des Hämolysingens hlyA (23,8 %) gegenüber 9,5 % in den klinischen Isolaten (und 10,8 % in allen Stämmen) müsste in künftigen Untersuchungen invasiven Verhaltens der ExPEC beobachtet werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit legen nahe, dass eine bovine Mastitis durch verschiedene E. coli-Varianten hervorgerufen werden kann und ein großes Potential extraintestinaler Virulenzfaktoren dazu nicht erforderlich ist. Entscheidend ist eine durch das fimH-Gen vermittelte Adhäsion, in der Hälfte der untersuchten Fälle unterstützt durch das Serumresistenz vermittelnde Gen traT.
Polyketide (PK) und nichtribosomale Peptide (NRP) sind zwei grosse Klassen von Naturstoffen, die eine grosse Vielfalt hinsichtlich ihrer Struktur und Funktion aufweisen. Sie werden von einer Reihe von Bakterien, Pilzen und Pflanzen als Sekundärmetabolite produziert und besitzen eine Vielzahl pharmakologisch wichtiger Aktivitäten, wie z.B. antimikrobielle, antimykotische, antitumorale oder antiparasitische Wirkungen. Ein Grossteil der bakteriellen Produzenten findet sich im Phylum Firmicutes, innerhalb der Gattungen Bacillus, Streptomyces und Mycobacterium. In E. coli sind Polyketide und nichtribosomale Proteine von eher geringer Bedeutung, mit Ausnahme der Siderophore Enterobactin und Yersiniabactin. Unerwartet war daher die Identifizierung eines neuen PKS/ NRPS-Gencluster in verschiedenen E. coli-Stämmen. Das 2006 durch NOUGAYRÈDE et al. zuerst beschriebene Colibactin-Gencluster kodiert für ein hybrides System aus modularen Polyketidsynthasen und nichtribosomalen Peptidsynthetasen sowie für zusätzliche editierende Enzyme und einen möglichen transkriptionellen Regulator (ClbR). Das Produkt der PKS/NRPS-Synthasen, Colibactin, übt in vitro einen zytopathischen Effekt (CPE) auf Säugerzelllinien aus. Die zytopathische Aktivität Colibactins zeichnet sich u.a. durch die Induktion von Doppelstrangbrüchen in der DNA der eukaryotischen Zellen aus. Darüber hinaus kommt es zu einer Unterbrechung des Zellzyklus in der G2-Phase nach einer transienten in vitro Infektion mit Colibactin-positiven Bakterienstämmen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit war besonders die weitere Aufklärung der Struktur des Colibactinclusters sowie die regulatorischen Mechanismen, die die Exression des hybriden nichtribosomalen Peptid-Polyketids von Interesse. Eine Transkriptionsanalyse führte zur Identifizierung der Transkriptionsstartpunkte der meisten relevanten Gene des Colibactinclusters. Basierend auf diesen neugewonnenen Informationen war eine Sequenzanalyse der upstream-Bereiche der Gene möglich, in deren Ergebnis neben den Elementen eines Sigma70-abhängigen Promotors, putative Bindestellen für mehrere Transkriptionsfaktoren identifiziert wurden. Untersuchungen zur Regulation der Colibactinsynthese zeigten, dass die Expression der Colibactin-Gene sowohl unter Kontrolle des Transkriptionsfaktors H-NS als auch des Colibactin-spezifischen Regulators ClbR stehen. Neben der Aufklärung der Struktur und Regulation der Colibactin-Gene bestand das Ziel dieser Arbeit in der Optimierung der Synthese des nichtribosomalen Peptid-Polyketids. Hierfür durchgeführte Expressionstudien zeigten einen Einfluss von Fettsäuren und Indol sowie von der Sauerstoffverfügbarkeit auf die Promotoraktivität einzelner Gene des Colibactin-Genclusters. Darüberhinaus konnte das pks-Genclusters erfolgreich in Pseudomonas putida KT2440 transferiert werden sowie der Nachweis der Funktionsfähigkeit Colibactins in diesem Wirtsorganismus nachgewiesen werden. Wenngleich die Stabilität des für diesen Zweck konstruierten Shuttle-Vektors nicht von Dauer ist, konnte gezeigt werden dass Pseudomonas putida prinzipiell als Wirtssystem für die Realisierbarkeit der heterologen Expression von Colibactin, geeignet ist. Zusätzlich zur Strukturanalyse des pks-Clusters und den Studien zur Expression der Colibactin-Gene befasste sich die hier vorliegende Arbeit mit der Fragestellung nach der biologischen Funktion Colibactins. Phänotypische Untersuchungen zeigen sowohl eine Beeinflussung der Eisenaufnahme als auch der Biofilmbildung durch das nichtribosomale Peptid-Polyketid. Dies sind die ersten Hinweise die zur Aufklärung der Funktion Colibactins beitragen könnten.
Der human pathogene Erreger Streptococcus pneumoniae besiedelt symptomlos den Nasenrachenraum des Menschen, löst aber auch Infektionen wie Otitis Media und invasive Erkrankungen wie Pneumonie und Meningitis aus. Einen essentiellen Schritt für den Infektionsprozess stellt die Anheftung von S. pneumoniae an die Epithel- und Endothelzellen des Wirtes dar. Im Infektionsverlauf ist auch das nachfolgende Eindringen der pathogenen Mikroorganismen in das humane Gewebe von wichtiger Bedeutung. An dieser Interaktion zwischen Erreger und Wirtszellen sind sowohl bakterielle Virulenzfaktoren als auch Komponenten des Wirtes beteiligt. Der pneumococcal adherence and virulence factor A (PavA) von S. pneumoniae ist ein Fibronektin-bindendes Oberflächenprotein und ist essentiell für die Virulenz in einem Sepsis- und einem Pneumonie-Mausinfektionsmodell (Holmes et al., 2001; Lau et al., 2001). In der vorliegenden Arbeit konnte PavA zusätzlich in einem experimentellen Maus-Meningitis-Modell als Virulenzfaktor identifiziert werden. In in vitro Infektionsstudien zeigten pavA-defiziente Pneumokokkenmutanten eine signifikant verringerte Adhärenz an und Invasion in alveoläre Epithelzellen A549 von Typ II Pneumozyten, in Larynxkarzinomzellen HEp-2, in humane Hirnendothelzellen HBMEC und in humane Nabelschnurendothelzellen HUVEC. Diese Zelllinien repräsentieren modellhaft typische Gewebezellen, mit denen S. pneumoniae während des Infektionsprozesses in Kontakt treten kann. Die signifikante Reduktion der Adhärenz der pavA-Mutante ist auf die Mutagenese des pavA-Gens zurückzuführen, da die Komplementierung mit einem aktiven pavA-Gen die Adhärenz an die humanen Zellen wiederherstellte. In Inhibitionsstudien blockierte anti-PavA-Antiserum die bakterielle Bindung an immobilisiertes Fibronektin, die über den C-terminalen Bereich des PavA-Proteins vermittelt wird. Im Gegensatz dazu wurde die Adhärenz von S. pneumoniae an die humanen Wirtszellen in Inhibitionsstudien mit anti-PavA-Antiserum oder rekombinantem PavA-Protein nicht blockiert. Zusammenfassend ist PavA ein wichtiger Virulenzfaktor für die Infektion und das Überleben der Erreger in vivo und spielt gleichzeitig auch eine Rolle während der Adhärenz von Pneumokokken an die humanen Wirtszellen in vitro. Allerdings beeinflusst PavA den Anheftungsprozess nicht direkt als Adhäsin, sondern scheint die Funktion anderer, wichtiger, bisher unbekannter Virulenzfaktoren von S. pneumoniae zu regulieren. Im zweiten Abschnitt der Arbeit wurde die Interaktion von S. pneumoniae mit dem Glykoprotein Fibronektin und deren Bedeutung für die Kolonisierung und den Infektionsmechanismus in vitro untersucht. S. pneumoniae bindet direkt an immobilisiertes Fibronektin (van der Flier et al., 1995). In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass Pneumokokken Fibronektin sowohl wirtsunabhängig aus dem Plasma rekrutieren als auch reines lösliches Fibronektin binden können. Dabei binden Pneumokokken sowohl die multimere, zelluläre Form des Fibronektins als auch das lösliche, dimere Plasma-Fibronektin. Die Zugabe von Fibronektin verstärkt die Adhärenz von S. pneumoniae an die humanen Nasopharynxepithelzellen Detroit 562, die Larynxzellen HEp-2, die Bronchialepithelzellen A549 und die Hirnendothelzellen HBMEC. Die Fibronektin-vermittelte Anheftung von Pneumokokken an die Nasopharynxzellen Detroit 562 und die Hirnendothelzellen HBMEC erfolgt wahrscheinlich über die Heparin-Bindungsdomäne, da die bakterielle Adhärenz durch die Zugabe von Heparin inhibiert wird. Weitere Inhibitionsstudien zeigten, dass weder die Präinkubation der Erreger mit anti-PavA-Antiserum noch die Zugabe von rekombinantem PavA-Protein die Fibronektin-vermittelte Adhärenz an die Wirtszellen blockierte. Die Interaktion von S. pneumoniae über das Brückenmolekül Fibronektin mit den humanen Wirtszellen findet damit nicht über das Fibronektin-bindende Oberflächenprotein PavA statt. Fibronektin vermittelt nicht nur die Adhärenz von S. pneumoniae an die Wirtszellen, sondern auch deren Internalisierung. In Inhibitionsstudien mit spezifischen Inhibitoren des Aktin-Zytoskeletts und der Mikrotubuli konnte gezeigt werden, dass die Dynamik des Zytoskeletts eine essentielle Rolle für die Fibronektin-vermittelte Internalisierung der Pneumokokken in die Wirtszellen spielt. Außerdem wurde durch die Zugabe von pharmakologischen Inhibitoren der Tyrosin Kinasen, der Familie der Src-Kinasen und der Phosphatidylinositol (PI-3)-Kinase die Fibronektin-vermittelte bakterielle Invasion in humane Zellen signifikant blockiert. Die Invasion von S. pneumoniae in Mausfibroblasten, die defizient für die fokale Adhäsionskinase (FAK) waren, war im Vergleich zu der bakteriellen Invasion in die Wildtyp-Fibroblasten reduziert. Diese Ergebnisse zeigen die Beteiligung der Src-Kinasen, der PI-3-Kinase und der FAK an der Signaltransduktion, die für die Fibronektin-vermittelte Invasion von S. pneumoniae in eukaryotische Zellen notwendig ist.
Enterohämorrhagische Escherichia coli (EHEC) gehören zu den wichtigsten der sich in jüngster Zeit verbreitenden Pathogene und verursachen die verschiedensten Durchfallerkrankungen von unblutiger Diarrhö bis zu hämorrhagischer Kolitis, oftmals unter Ausprägung von lebensbedrohlichen extraintestinalen Symptomen wie dem hämolytisch-urämischen Syndrom. Die wichtigsten Virulenzfaktoren dieser Pathogene sind Shiga-Toxine (Stx) und Faktoren, die an der Ausprägung der sog. "attaching and effacing"-Läsionen auf Darmepithelzellen beteiligt sind. Vor allem Kinder und ältere Menschen sind von den Infektionen, die häufig in Form von Ausbrüchen auftreten, betroffen. Die Übertragung erfolgt meist über fäkal kontaminierte Nahrungsmittel. Da die Behandlung von EHEC-Infektionen mit manchen Antibiotika die Entwicklung der extraintestinalen Symptome noch verstärken kann, wäre die Impfung gefährdeter Personen der beste Weg für die Bekämpfung dieser Erreger. Eine weitere Möglichkeit der Prävention wäre die Eradikation dieser Organismen in ihren asymptomatischen Wirten, über die EHEC in die menschliche Nahrungskette gelangen können. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war unter anderem die Etablierung der Grundlagen für einen Lebendvakzinstamm zur Prävention von EHEC-Infektionen. Zu diesem Zweck wurden unterschiedliche Strategien mit dem Ziel verfolgt, einen Stx2-produzierenden EHEC-Stamm zu attenuieren. Eine Attenuierungsstrategie für EHEC ist die direkte Ausschaltung von Virulenzfaktor-Strukturgenen wie den Toxingenen. Zu diesem Zweck wurde eine stx2-negative Mutante des EHEC-Stammes O157:H7 86-24 durch eine Deletion im Zentrum des stx2-Genclusters konstruiert, was zur Fusion der 154 N-terminalen Aminosäuren von StxA2 mit den 62 C-terminalen Aminosäuren von StxB2 führte. Die Charakterisierung der Mutante zeigte, daß der Toxin-konvertierende Bakteriophage noch intakt war. Das Fusionsprotein hatte seine zytotoxische Aktivität zwar vollständig verloren, konnte jedoch durch Stx2-spezifisches Schweineantiserum detektiert werden. Daraus wurde geschlossen, daß das mutierte Protein einen Teil seiner antigenen Strukturen behalten hatte und daß es potentiell für die Impfung gegen Stx2-spezifische Schädigungen verwendet werden könnte. Eine weitere Strategie mit dem Ziel der Attenuierung von EHEC-Stämmen war die Deletion von Genen, die in die Regulation von Virulenzfaktoren involviert sind. Auf diese Weise sollte die Expression von Pathogenitätsfaktoren verhindert werden. Als erstes wurde versucht, einen postulierten bakteriophagenkodierten toxinspezifischen Regulator zu identifizieren und zu charaktierisieren, der die Fähigkeit besaß, die Expression eines stx2-spezifischen Reportergens nach der Induktion des Phagen zu steigern. Eine Transposonmutagenese des Stx2-konvertierenden Phagen 933W ergab verschiedene Phagenmutanten mit veränderter Expression des Reportergens nach Induktion des Phagen. Die Expressionsveränderung korrelierte nur bedingt mit der Veränderung der Produktion von Toxin oder Phagenpartikeln. Das Transposon der am stärksten in ihrer Reportergenexpression reduzierten Mutante war im ORF L0065 inseriert, der unmittelbar "upstream" von den Phagengenen int/xis lokalisiert ist. Der klonierte wildtypische ORF war nicht in der Lage, die Transposonmutante in trans zu komplementieren. Daraus wurde geschlossen, daß der Phänotyp der Mutante durch einen polaren Effekt des Transposons auf int/xis bedingt sein könnte, da eine reduzierte Phagengenomexcision eine Verminderung der Phageninduktion verursachen würde, was sich entsprechend auf die Reportergenexpression auswirken könnte. Neely et al. (1998) identifizierten den Phagen-Antiterminator Q als einen möglichen Kandidaten für den postulierten phagenkodierten stx2-Regulator. Eine Deletion dieses zentralen Phagenregulators könnte durch die Störung der regulären Phagenfunktionen zur Attenuierung von EHEC beitragen. Als zweites wurde in einem Projekt von Dr. I. Mühldorfer anhand von recA-negativen Mutanten der EHEC-Stämme O157:H7 86-24 und EDL933 in verschiedenen Mäusemodellen demonstriert, daß die Deletion von recA einen massiven Virulenzverlust und damit eine Attenuierung der Stämme zur Folge hatte. Die dadurch bedingte drastische Reduktion der Toxinproduktion konnte indirekt auf das Fehlen von recA zurückgeführt werden. Im Gegensatz dazu veränderte die Deletion von recA im UPEC-Stamm O6:K15:H31 536 die Virulenz dieses Stammes nicht. Im Rahmen dieser Arbeit erfolgte die Auswertung der Ergebnisse der Virulenztests. Die Deletion von recA ist außerdem eine wichtige Sicherheitsmaßnahme für eine Prävention der Integration von Fremd-DNA in Lebendvakzine und damit für die Verhinderung der Reversion dieser Stämme zur Pathogenität. Als drittes wurden die Auswirkungen der Deletion des Gens leuX, das für die seltenere Leucin-spezifische tRNA5Leu kodiert, auf die Expression von EHEC-Virulenzfaktoren anhand einer leuX-Deletionsmutante des EHEC-Stammes O157:H7 86-24 untersucht. Die Deletion dieser tRNA im UPEC-Stamm 536 führt wegen der dadurch reduzierten Expression verschiedener Virulenzfaktoren zu einer Attenuierung des Stammes. Es wurde gezeigt, daß wie in UPEC auch in EHEC die Produktion von Flagellen und Enterobaktin beeinträchtigt war. Zusätzlich war die Häminverwertung reduziert. Außerdem verminderte die Deletion von leuX die Expression nicht-identifizierter Proteine der äußeren und inneren Membran sowie eines mit Typ 1-Fimbrien-spezifischem Serum kreuzreaktiven Antigens. Im Gegensatz dazu wurden die Stx2-Produktion sowie die in vivo-Virulenz des Stammes in Mäusen nicht beeinflußt. Die Enterohämolyse sowie die Expression von Intimin waren verstärkt. Die Expression der typischen EHEC-Virulenzfaktoren war demnach in der leuX-Mutante nicht reduziert. Der Einfluß von leuX auf die Expression dieser Faktoren war offensichtlich nicht auf eine Translationsreduktion durch die fehlende Bereitstellung der tRNA beschränkt, sondern scheint weitere Mechanismen zu involvieren. Eine wirkliche Attenuierung von EHEC kann durch die Deletion von leuX wahrscheinlich nicht erzielt werden.
Staphylokokken sind in erster Linie Saprophyten, welche die Haut und Schleimhäute des Menschen besiedeln und dort eine wichtige Rolle für das Gleichgewicht der gesunden Mikroflora spielen. Gleichzeitig haben sie sich aber auch zu den häufigsten Verursachern nosokomialer Infektionen entwickelt. Vor allem S. aureus und S. epidermidis verursachen Erkrankungen, die von leichten Haut- und Wundinfektionen bis hin zu lebensbedrohlichen Infektionen wie Pneumonien, Sepsis oder Endokarditis reichen. Infektionen durch S. epidermidis treten dabei meist in Verbindung mit Fremdkörpern wie Kathetersystemen, künstlichen Gelenken und Herzklappen auf. In diesem Zusammenhang scheint vor allem die Fähigkeit, einen Biofilm auf diesen Fremdkörpern bilden zu können eine große Rolle für die Pathogenese zu spielen. Die Therapie von Staphylokokken-Infektionen wird zunehmend durch die ausgeprägte Antibiotikaresistenz dieser Erreger erschwert, die sich mittlerweile auch auf Reserveantibiotika wie Daptomycin, Synercid® (Quinupristin/Dalfopristin) oder Linezolid erstreckt. In der Vergangenheit wurde gezeigt, dass subinhibitorische Konzentrationen des Streptogramin-Antibiotikums Synercid® die Biofilmbildung in S. epidermidis induzieren. Darüber hinaus mehren sich die Hinweise auch bei anderen Bakterien, dass geringe Antibiotika-Konzentrationen, wie sie in natürlichen Habitaten wie zum Beispiel im Boden vorkommen, wichtige Signale bei der Kommunikation von Bakterien untereinander darstellen und möglicherweise eine Funktion bei der Modulation des Metabolismus im Kampf um Nährstoffe ausüben. In dieser Promotionsarbeit sollte daher exemplarisch, mit Hilfe der erst seit kurzem zur Verfügung stehenden DNA-Mikroarray-Technik, der Effekt von subinhibitorischen Synercid®-Konzentrationen auf die globale Genexpression von S. epidermidis und S. aureus analysiert werden. Dabei stand vor allem die Wirkung auf die Biofilmbildung und die Identifikation neuer, an der Biofilmbildung beteiligter Komponenten im Mittelpunkt. Die Ergebnisse zeigen, dass subinhibitorische Synercid®-Konzentrationen bei S. aureus, im Gegensatz zu S. epidermidis, zu einer reduzierten Biofilmbildung führen. Bei beiden Arten ist jedoch die unterschiedliche Biofilmbildung durch eine ausgeprägte Veränderung der allgemeinen Genexpression begleitet. Vor allem war eine starke Induktion von Genen zu beobachten, die für Proteine des Translationsapparates kodieren. Außerdem waren Gene des Nukleotid-Stoffwechsels, der Aminosäure-Synthese und des Kohlenstoff-Metabolismus unterschiedlich reguliert. Des Weiteren konnte mit Hilfe von HPLC-Analysen sowohl bei S. epidermidis als auch bei S. aureus eine reduzierte Konzentration des Signalmoleküls Guanosin-3-5-bisphosphat (ppGpp) festgestellt werden. ppGpp spielt vor allem bei der Kontrolle und Anpassung des Stoffwechsels an Wachstumsbedingungen, wie zum Beispiel das Nährstoffangebot, eine wichtige Rolle. Die Ergebnisse legen nahe, dass die Inaktivierung der ribosomalen Proteine durch Synercid® die reduzierte ppGpp-Konzentration bedingt, was zum einen zur verstärkten Bildung ribosomaler Proteine führt und zum anderen den Zellstoffwechsel in einer Weise beeinflusst, der eine vermehrte extrazelluläre Polysaccharid-Synthese und damit Biofilmbildung ermöglicht. Zusammenfassend zeigen die hier vorgestellten Daten, dass die unterschiedliche Beeinflussung der Biofilmbildung bei S. epidermidis und S. aureus sehr wahrscheinlich durch verschiedene Regulationswege des ica-Operons und/oder unterschiedliche katabolische Fähigkeiten bedingt werden. Die Ergebnisse belegen weiterhin, dass die Wirkung von Antibiotika weit über deren bekannte inhibitorische Effekte hinausgeht und vor allem den Stoffwechsel der Bakterien dramatisch beeinflußt. Die Konsequenzen dieser Befunde sowohl für das Verständinis von mikrobiologischen Konsortien in Ökosystemen als auch für die Anwendung von Antibiotika in der Medizin sind noch nicht abzusehen, bieten jedoch eine interessante Grundlage für weitere experimentelle Arbeiten.
Eine eindeutige Unterscheidung zwischen extraintestinal pathogenen (ExPEC) und kommensalen E. coli-Stämmen zu treffen, fällt häufig schwer, da Virulenz-assoziierte Faktoren von ExPEC auch in kommensalen Stämmen gefunden werden können. Als naher Verwandter des uropathogenen Isolates E. coli CFT073 weist der apathogene, kommensale Stamm E. coli Nissle 1917 (O6:K5:H1) die Expression einer Vielzahl solcher „ExPEC-Virulenzfaktoren“ auf. Dazu gehören verschiedene Fimbrien, Siderophore und Proteine, die an der Biofilmbildung beteiligt sind. Der Vergleich des Stammes mit ExPEC-Isolaten lässt daher Rückschlüsse auf die Funktion dieser Faktoren im jeweiligen ökologischen Kontext zu. E. coli Nissle 1917 bildet den sog. rdar-Morphotyp aus, eine multizelluläre Struktur, die auf der Koexpression von Zellulose und Curli-Fimbrien beruht. Dieser findet sich bei vielen E. coli und Salmonella-Spezies, tritt aber in der Regel nur bei Temperaturen unterhalb 30 °C auf. E. coli Nissle 1917 hingegen weist diesen Phänotyp auch bei 37 °C auf, was vermutlich die Kolonisierungsfähigkeit gegenüber anderen kommensalen E. coli erhöht. Hier konnte demonstriert werden, dass die Expression des rdar-Morphotyps bei E. coli Nissle 1917 unabhängig von den bisher beschriebenen Regulatoren CsgD und YaiC ist. Mittels Mutagenese mit dem Transposon miniTn5 wurde nach rdar-negativen Klonen gesucht mit dem Ziel, einen möglichen übergeordneten Regulator dieses Phänotyps zu identifizieren. Bei dieser Untersuchung wurden einige Gene ermittelt, die bislang nicht dafür bekannt waren, die Expression von Zellulose oder Curli-Fimbrien zu beeinflussen. Während die Funktion vieler der ermittelten ORFs unbekannt war, hatte vor allem die Inaktivierung von Genen, die an der Biosynthese von Oberflächenstrukturen (Fimbrien, Kapsel, Colansäure, LPS) einen veränderten Phänotyp zur Folge. Allerdings konnte in den wenigsten Fällen ein Zusammenhang zu Curli- oder Zellulosesynthese hergestellt werden. Es zeigte sich, dass die Regulation des rdar-Morphotyps offenbar komplexer und von mehr Faktoren zumindest indirekt abhängig ist, als bislang beschrieben. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde eine 55 kb große genomische Insel untersucht, die im asnW-tRNA-Lokus inseriert ist und die Proteine für die Synthese eines hybriden nichtribosomalen Peptid-Polyketids kodiert. Die Insel konnte mittels PCR in extraintestinal pathogenen sowie kommensalen Isolaten der phylogenetischen Gruppe B2 nachgewiesen werden, darunter die Stämme E. coli Nissle 1917, IHE3034, CFT073 und J96. Eine Kokultivierung von HeLa-Zellen mit diesen Bakterien hatte eine Blockierung des Zellzyklus und Megalozytose (zytopathischer Effekt) zur Folge. Die Deletion der asnW-Insel führte zur Aufhebung des zytopathischen Phänotyps, der durch Einbringen des Genclusters auf einem BAC-Vektor wieder hergestellt werden konnte. Der zytopathische Effekt konnte nur nach direktem Kontakt der Bakterien mit HeLa-Zellen beobachtet werden und war weder durch Bakterienlysate, abgetötete Bakterien oder Kulturüberstände zu erzielen. Das PKS/NRPS-Gencluster umfasst 18 ORFs (clbA bis clbR), von denen 17 an der Synthese der aktiven Komponente beteiligt sind. Die Anzahl der Genprodukte und die Abfolge der putativen Domänen unterscheidet sich dabei von allen bislang beschriebenen PKS/NRPSSystemen. Untersuchungen zur Transkription ergaben drei monocistronisch und vier teilweise sehr große (bis 23 kb) polycistronisch transkribierte Einheiten aus bis zu sechs ORFs. Zudem konnte eine konstitutive Transkription aller ORFs festgestellt werden, wenngleich in unterschiedlicher Stärke. Nach Kontakt mit HeLa-Zellen wurde keine erhöhte Transkription oder Promotoraktivität einzelner ORFs festgestellt. Daher scheint die Kontaktabhängigkeit des zytopathischen Effekts nicht auf einer durch HeLa-Zellen hervorgerufenen Induktion der PKS/NRPS-Expression zu beruhen. Die Kontaktabhängigkeit konnte durch die Induktion bzw. Überexpression einer PKS/NRPS (clbB), den putativen Schlüsselenzymen Thioesterase (clbQ) und Phosphopantetheinyl-Transferase (clbA) oder dem möglichen Regulator clbR nicht überwunden werden. Mittels Luziferase-Reportergenfusionen konnte ein Einfluss unterschiedlicher Medien und Kulturbedingungen auf die Promotoraktivität einzelner Gene festgestellt werden. Dies wurde auf den Einfluss des BarA/UvrY- Zweikomponentensystems zurückgeführt, welches über CsrA/CsrBC den Kohlenstoff-Metabolismus von E. coli post-transkriptional reguliert. Die natürliche uvrY-Deletionsmutante UPEC 536 wies trotz des Besitzes des kompletten PKS/NRPS-Genclusters keinen zytopathischen Effekt auf. Dieser konnte jedoch durch Komplementation mit uvrY wieder hergestellt werden. Dies ist der erste Hinweis für einen außerhalb der asnW-Insel liegenden Regulationsmechanismus der PK/NRP-Synthese. Die Funktion des Peptid-Polyketids in vivo bleibt weiterhin unklar und könnte sowohl Fitness als auch Virulenz von E. coli beeinflussen.
Der uropathogene Escherichia coli Stamm 536 (O6:K15:H31) stammt aus einem Patienten mit akuter Pyelonephritis und ist heute einer der Hauptmodellorganismen für Studien zum Vorkommen und zur Funktionalität von Pathogenitätsinseln (PAIs). Sein Genom enthält sechs genetische Elemente (PAI I(536) bis PAI VI(536)), die an unterschiedlichen Stellen des Chromosoms integriert sind und die Hauptkriterien für PAIs erfüllen. Sie kodieren für viele Virulenzfaktoren des Stammes, sind am 3' Ende von tRNA Genen integriert, enthalten teils kryptische Fragmente mobiler genetischer Elemente wie Integrase- oder Transposasegene und werden meist von IS Elementen oder 'direct repeats' (DRs) flankiert. Darüber hinaus haben sie die Tendenz, instabil zu sein und aus dem Chromosom zu deletieren. Mit Ausnahme von PAI IV(536) sind alle PAIs von E. coli 536 mit intakten Integrasegenen assoziiert, die zu int Genen des Coliphagen P4 bzw. des Shigella flexneri Phagen SfX ähnlich sind. Neuere Untersuchungen zeigen, daß diese Gene exprimiert werden und für funktionelle Enzyme kodieren. Zusätzlich werden die PAIs ebenfalls mit Ausnahme von PAI IV(536) von DRs unterschiedlicher Größe flankiert, die den Randbereichen von Prophagen im prokaryontischen Chromosom entsprechen. Es ist daher wahrscheinlich, daß PAI-Deletionen vergleichbar zum Insertions-/Exzisionsmechanismus von Bakteriophagen durch die jeweilige PAI-assoziierte Integrase vermittelt werden und durch ortsspezifische Rekombination zwischen den flankierenden DRs erfolgen. Die Instabilität von PAI I(536) und PAI II(536) ist schon früh belegt worden. Jede Insel kodiert für eine Hämolysindeterminante und ihre Kodeletion führt zu einem ahämolytischen Phänotyp, der mit einer Häufigkeit von 3×10(-5) in vivo und bis 1x10(-3) in vitro auftritt. Die Exzision erfolgt durch ortsspezifische Rekombination zwischen den 16 bp bzw. 18 bp großen flankierenden DRs der PAIs. Da den übrigen E. coli 536-spezifischen PAIs entsprechende phänotypische Marker fehlen, wurde in der hier vorliegenden Arbeit das 'Island Probing'-Verfahren angewendet, um die Instabilität von PAI I(536) bis PAI V(536) im Detail zu untersuchen. Dazu wurde der negative Selektionsmarker sacB separat in die PAIs integriert. Zellen, die diesen Marker tragen, sind saccharosesensitiv und können nur in Gegenwart hoher Saccharosekonzentrationen wachsen, nachdem die sacB-markierte PAI aus dem Chromosom deletiert wurde. Auf diese Weise konnten von sacB-markierten Derivaten des Stammes E. coli 536 gezielt PAI-negative Zellen isoliert werden, um die Grunddeletionsraten der PAIs zu bestimmen und ihre Randbereiche zu analysieren. Zusätzlich wurde der Einfluß verschiedener Umwelteinflüsse wie niedrige/hohe Temperatur, osmotischer Streß, Nährstoffmangel, subinhibitorische Antibiotikakonzentrationen oder die Gegenwart konjugativer Plasmide auf die Exzisionsrate untersucht. Die in dieser Arbeit vorgestellten Daten zeigen, daß PAIs von E. coli 536 mit unterschiedlicher Häufigkeit deletieren. Während PAI II(536) und PAI III(536) mit Deletionsraten von 2×10(-5) bzw. 5x10(-5) am instabilsten sind, liegen die Exzisionsraten von PAI I(536) und PAI V(536) mit 2x10(-6) bzw. 1×10(-6) niedriger und deuten auf eine fortschreitende Stabilisierung dieser PAIs hin. Im Gegensatz dazu ist PAI IV(536) bereits vollständig stabil in das Chromosom eingebettet. Während die Exzision von PAI I(536), PAI II(536) und PAI V(536) RecA-unabhängig ist und auf ortsspezifischer Rekombination zwischen ihren flankierenden DRs beruht, treten bei PAI III(536) zwei alternative Deletionsmechanismen auf. Die Exzision dieser PAI erfolgt entweder vollständig durch ortsspezifische Rekombination zwischen den flankierenden DRs oder partiell durch homologe Rekombination zwischen zwei IS100 Elementen innerhalb der PAI. Unabhängig vom Rekombinationsmechanismus führt die Deletion aber in allen Fällen zur Bildung zirkulärer Intermediate (CIs), die vermutlich aufgrund fehlender Replikationsstartpunkte bei nachfolgenden Zellteilungen verlorengehen. Obwohl CIs von PAI II(536) und PAI III(536) mit Hilfe spezifischer PCR-Reaktionen identifiziert werden konnten, war ein PCR-Nachweis PAI I(536)- und PAI V(536)-spezifischer CIs bedingt durch die niedrigen Deletionsraten dieser Inseln nicht möglich. Interessanterweise konnte in dieser Arbeit erstmalig gezeigt werden, daß die Deletion von PAI II(536) und PAI III(536) bei niedriger Wachstumstemperatur, hoher Zelldichte und Nährstoffmangel in vitro induzierbar ist, d. h. unter Bedingungen, die auch in natürlichen Biofilmen auftreten können. Andere Bedingungen wie osmotischer Streß, subinhibitorische Antibiotikakonzentrationen oder die Anwesenheit konjugativer Plasmide haben keinen Einfluß auf die Deletionsrate der PAIs. Insgesamt deuten die Ergebnisse darauf hin, daß die Instabilität von PAIs bei E. coli 536 in vivo eine wichtige Rolle spielt indem sie zur Genomflexibilität und Evolution sowie zur Modulation der Virulenzgenexpression der Bakterien beiträgt.
Enterokokken gelten primär als opportunistische Erreger mit geringer Pathopotenz. Sie zeichnen sich allerdings durch ausgeprägte natürliche und erworbene Resistenzen gegen eine Vielzahl von Antibiotika aus. Besorgniserregend ist hierbei insbesondere das Auftreten von Vancomycin-resistenten Enterokokken. Glycopeptidantibiotika, wie Vancomycin und Teicoplanin, werden als Reserveantibiotika gegen multiresistente gram-positive Erreger, wie zum Beispiel Methicillin-resistente Staphylococcus aureus-Stämme (MRSA) eingesetzt. Der VanA-Typ der Glycopeptidresistenz, welcher zuerst in Enterococcus faecium beschrieben wurde, ist die in Zentraleuropa vorherrschende Variante der Glycopeptidresistenz. Das Transposon Tn1546, das die vanA-Resistenzdeterminante kodiert, liegt häufig auf großen konjugativen Plasmiden vor und kann zwischen Enterokokken-Stämmen transferiert werden. In dieser Arbeit wurde der direkte Einfluss von Vancomycin und eines weiteren Antibiotikums, Flavophospholipol (FPL), auf die Rate des konjugativen Transfers des vanA-Operons in E. faecium untersucht. Das Phosphoglycolipidantibiotikum FPL wird derzeit als Leistungsförderer in der Tiermast eingesetzt. Beide Antibiotika induzieren die Expression der Glycopeptidresistenz vom VanA-Typ. Es konnte gezeigt werden, dass Flavophospholipol in unterschiedlichen Konzentrationen die Häufigkeit des Transfers von konjugativen VanA-Plasmiden sowohl in klinischen E. faecium-Isolaten, als auch in E. faecium-Stämmen aus Tierfaeces signifikant hemmte. Vancomycin zeigte keinen signifikanten Effekt auf die Transferrate der VanA-Plasmide. Somit konnte nachgewiesen werden, dass in E. faecium kein funktionaler Zusammenhang zwischen der Induktion des vanA-Operons durch Vancomycin und FPL und der Transferfrequenz der konjugativen VanA-Plasmide unter dem Einfluss der beiden Antibiotika besteht. Weiterhin wurde die Induktion des vanA-Operons unter dem Einfluss verschiedener Antibiotika in einem E. faecium-Isolat näher untersucht. Hierbei wurde die Expression des 39 kDa VanA-Ligase Proteins direkt durch das Western Blot-Verfahren dargestellt. Eine Induktion der Expression des VanA-Ligase Proteins erfolgte durch Inhibitoren der späten Phase der Zellwandsynthese, wie Vancomycin, Flavophospholipol, Bacitracin und Tunicamycin. Außerdem konnte eine leichte Induktion des VanA-Ligase Proteins durch Fosfomycin, Cefalexin und Cefuroxim, Meropenem und Clindamycin nachgewiesen werden. Somit konnte gezeigt werden, dass Cefuroxim und Clindamycin zwei Antibiotika, die in klinischen Studien eine Besiedelung mit VRE begünstigen, auch eine geringe Zunahme der VanA-Ligase Expression bewirken. Zudem wurde deutlich, dass durch den Einfluss von Hitzestress und osmotischem Stress keine Induktion der 39 kDa VanA-Ligase Bande erfolgt. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war die Identifizierung einer putativen Resistenz-determinante gegen Flavophospholipol. Die Eigenschaft der FPL-Resistenz konnte nicht durch in vitro-Filterkonjugation von FPL-resistenten auf FPL-sensitive E. faecium-Stämme übertragen werden. Zur molekularen Untersuchung der Resistenz gegen Flavophospholipol wurde ein resistenter E. faecium-Stamm durch das konjugative Transposon Tn916 mutagenisiert. In allen identifizierten FPL-sensitiven Mutanten war die Insertionstelle des Transposons und dessen Orientierung im Chromosom identisch und es deletierte ein 1,5 kb großer genomischer Bereich „downstream“ der Transposon-Insertionsstelle. Dieser Bereich umfasste das 3´-Endes des Gens für eine putative Threonyl-tRNA Synthetase und den Genlocus für einen putativen Transkriptionsregulator. Die Sequenzen in allen Mutanten begannen ca. 200 bp vor dem Startcodon eines Gens für ein putatives Penicillin-Bindeprotein (PBP). In Northern Blot-Analysen konnte gezeigt werden, dass die Transkription des putativen PBP in der Mutante 64/3-1 schwächer war als im Wildtyp 64/3. Außerdem wurden durch 3H Penicillin-Markierung von PBP-Extrakten Unterschiede im Expressionsmuster der Penicillin-Bindeproteine im Wildtyp und in der Mutante deutlich. Während im Wildtyp fünf Penicillin-Bindeproteine zu erkennen waren, fehlten PBP2 und PBP3 in der Mutante 64/3-1. Die Größe von PBP3 entsprach hierbei der geschätzten Größe des putativen PBP von 79 kDa. In der Mutante 64/3-1 fand wahrscheinlich durch den Verlust eines putativen Regulators oder wichtiger regulatorischer Bereiche eine Veränderung im Expressionsmuster der Penicillin-Bindeproteine statt, welche zum FPL-sensitiven Phänotyp führte. In dieser Arbeit konnte zudem gezeigt werden, dass Flavophospholipol in E. faecium an PBP2 und PBP3 bindet und es sich hierbei um bifunktionale „high molecular weight“ Penicillin-Bindeproteine mit Transglycosylase- und Transpeptidase-Untereinheit handeln muss.
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.
Das Gram-positive, Koagulase-negative Bakterium Staphylococcus epidermidis war viele Jahrzehnte als harmloser Kommensale der menschlichen Haut und der Schleimhäute bekannt. Jedoch hat sich S. epidermidis in den letzten zwanzig Jahren zu einem Haupterreger von Nosokomialinfektionen entwickelt. Dabei unterscheidet sich S. epidermidis im Vergleich zu anderen Erregern durch ein sehr begrenztes Spektrum an Pathogenitätsfaktoren, aber auch durch seine Fähigkeit, Biofilme auf künstlichen Oberflächen wie Kathetern und Implantaten formen zu können. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit zwei Hauptaspekten, die in der Pathogenität von S. epidermidis eine wichtige Rolle spielen: (i) dem Quorum-sensing System Agr (accessory gene regulator) und (ii) dem zeitlichen Prozess des Aufbaus, sowie der Regulation der Biofilmbildung von S. epidermidis. Das Quorum-sensing System Agr ist Teil eines komplexen regulatorischen Netzwerks. In der vorliegenden Arbeit wird durch Proteom- und Transkriptomanalysen gezeigt, dass das Agr-System in S._epidermidis den Hauptregulator für die Sekretion von extrazellulären Proteinen darstellt und darüber hinaus einen großen Einfluss auf die Regulation des Zentralmetabolismus und der Biosynthese von Aminosäuren hat. Mittels Mikroarray-Analyse konnte eine wichtige Verknüpfung des Agr-Systems mit dem pleiotrophen Repressor CodY identifiziert werden, der viele stationäre-Phase Gene im S._epidermidis Wildtyp reprimiert, jedoch nicht in der getesteten agr Mutante. Dieses führt zu einem stark veränderten Phänotyp der S. epidermidis agr Mutante, in Hinblick auf Wachstumskapazität, der Biofilmbildung, der Invasivität und dem Langzeitüberleben. Interessanterweise ergaben wissenschaftliche Studien, dass ca. 17 % der klinischen Isolate natürlich vorkommende agr Mutanten sind. Dieses könnte ein Hinweis darauf sein, dass S. epidermidis agr Mutanten aufgrund ihres stark veränderten Phänotyps und ihrer veränderten biochemischen Bedürfnisse und Kapazität in der Lage sind, andere ökologische Nischen im menschlichen Wirt zu besiedeln. Der zweite Teil dieser Arbeit hat die Biofilmbildung von S. epidermidis zum Thema. Durch die Etablierung eines standardisierten Modells der Biofilmbildung, war es möglich, über die Einführung einer Biofilm-Adhäsion-Ratio die Biofilmbildung als zeitlichen dynamischen Prozess darzustellen und verschiedenste Bedingungen und Stämme miteinander zu vergleichen. Dabei zeigte sich, dass die Biofilmbildung in S._epidermidis ein klar zeitlich strukturierter Prozess ist, der von Umweltfaktoren und der Nährstoffsituation abhängig ist, und dass verschiedene Stämme sehr unterschiedlich auf Veränderungen in ihrer Umwelt reagieren. Die zeitliche Analyse der Biofilmbildung mittels konfokaler Lasermikroskopie ergab, dass viele der Bakterien im Biofilm sterben. Dieses macht den Biofilm wesentlich anfälliger für Strömungsscherkräfte, die dann ganze Bakterienverbände ablösen und zu neuen Infektionsherden schwemmen könnten. Somit ermöglicht der Tod einer einzelnen Zelle unter Umständen ein besseres klonales Überleben. Die Mikroarray-Analysen der Genexpression im Biofilm zeigten, dass dieser einen physiologisch klar definierten Prozess durchläuft, der zu einer sehr stark verminderten metabolischen Aktivität und einer erhöhten Antibiotika-Resistenz führt. Darüber hinaus zeigen Bakterien im Biofilm einen weniger aggressiven Charakter, wie die Expression von Proteasen oder anderer Pathogenitätsfaktoren, welches S. epidermidis dabei hilft, dem Immunsystem des Wirts zu entgehen. Diese neuen Ergebnisse zur Regulation der Genexpression im Biofilm und zur Rolle des Quorum-sensing Systems Agr in S. epidermidis tragen wesentlich zum Verständnis der Pathogenität und der Physiologie dieses wichtigen nosokomialen Erregers bei. Sie bilden eine wichtige theroretische Grundlage für weiterführende Studien, mit dem Ziel in Zukunft neue Therapie- und Präventionsansätze gegen S. epidermidis-Infektionen zu entwickeln.
Untersuchungen zur Autophagieinduktion in Leishmania major-infizierten Knochenmarksmakrophagen
(2015)
Die von der WHO zu den 17 wichtigsten NTDs gezählte Leishmaniose wird durch intrazelluläre Parasiten der Gattung Leishmania hervorgerufen. Der Lebenszyklus der Parasiten besteht aus zwei Phasen. Die länglichen und beweglichen Promastigoten kennzeichnen die Phase in der Sandmücke – der Vektor der Leishmaniose. Hingegen ist die Phase im Säugerwirt durch runde unbewegliche Amastigoten charakterisiert. Aufgrund des Mangels an potenten antileishmanialen Therapien wurde in der vorliegenden Arbeit die Interaktion zwischen L. m. Parasiten und der Hauptwirtszelle, der Makrophage, v. a. in Hinblick auf autophage Prozesse in den infizierten Makrophagen näher untersucht, um demgemäß neue Erkenntnisse zu gewinnen, welche bei der Herstellung zukünftiger anti-leishmanialer Medikamente helfen könnten.
Bei der Autophagie handelt es sich um einen katabolen Prozess, wodurch Zellen bei Nahrungsmangel oder zellulärem Stress ihre Homöostase erhalten können. Durch diesen Prozess können überflüssige oder beschädigte Organellen recycelt werden, um die Funktionen der Zelle aufrechtzuerhalten. Daneben übernimmt Autophagie auch eine essenzielle Rolle bei der Abwehr von ins Zytosol eindringenden Pathogenen.
Mittels des neu etablierten totalen Autophagiescore konnte festgestellt werden, dass Autophagie in L. m.-infizierten BMDM induziert wird. Die intrazellulären Amastigoten werden durch Autophagie in den BMDM verdaut. Die erhöhte autophage Aktivität konnte zudem durch Western-Blot-Analysen der autophagierelevanten Proteine ATG5, LC3B und UB bestätigt werden. Die molekulargenetischen Untersuchungen von L. m.-infizier-ten BMDM mithilfe von Affymetrix Microarrays führten zu einem Netzwerk aus autophagierelevanten und infektionsspezifischen Genen, welches als LISA bezeichnet worden ist. Hier hat sich ebenfalls eine starke Verknüpfung von autophagierelevanten Genen und den Genen der Glykolyse, einem zweiten katabolen Prozess, gezeigt. Zudem konnten zwei weitere autophagierelevante und infektionsspezifische Gene außerhalb von LISA identifiziert werden, nämlich Bnip3 und Ctse, welche im Anschluss genauer untersucht worden sind. Bei beiden Genen konnte auf Proteinebene gezeigt werden, dass sie in L. m.-infizierten BMDM signifikant erhöht sind. Durch siRNA-Analysen konnte überdies beobachtet werden, dass beide für die erfolgreiche Elimination der Amastigoten essenziell sind.
Somit konnte mit den Proteinen BNIP3 und CTSE zwei potenzielle neue Ansatzpunkte für mögliche zukünftige antileishmaniale Therapien gefunden werden. Auch die in LISA enthaltenen Gene stellen prinzipiell vielversprechende Ziele für künftige Medikamente gegen Leishmaniose dar. Durch all diese Untersuchungen kommt man dem Ziel einer neuen, gezielten und nebenwirkungsärmeren Behandlung der Leishmaniose einen Schritt näher.
Das Gram-negative Bakterium Legionella pneumophila ist der Haupterreger der humanen Legionärskrankheit, einer schweren atypischen Pneumonie. Aufgrund mangelnder Diagnostik bleibt L. pneumophila als Krankheitsverursacher jedoch oft unerkannt. Neuesten Schätzungen des Kompetenznetzwerkes für ambulant erworbene Pneumonien (CAPNETZ) zufolge könnten Legionellen in Deutschland für jährlich ca. 21 000 Pneumonien verantwortlich sein, etwa doppelt so viele Fälle wie bisher angenommen. Die Pathologie der humanen Infektion zeichnet sich durch extrazelluläre Effekte aus, für die in den letzten Jahren vielfältige sekretierte Effektormoleküle (SSPs) verantwortlich gemacht wurden. Darüber hinaus tragen spezielle Sekretionsmaschinen wie das Dot/Icm Typ-IV-Sekretionssystem sowie ersten Hinweisen entsprechend Membranvesikel, die von der äußeren Membran der Bakterien abgeschnürt werden (OMVs), zur intrazellulären Pathogenität von L. pneumophila bei. In der vorliegenden Dissertation bildet die umfassende Charakterisierung des Sekretoms von L. pneumophila den Schwerpunkt. Diese ist untergliedert in (i) Untersuchungen zur OMV-Produktion im Lebenszyklus von L. pneumophila, (ii) Proteomcharakterisierung der Sekretomfraktionen SSP und OMV und (iii) funktionale Analyse der Sekretomfraktionen. Für einen Beitrag von OMVs zur L. pneumophila-Pathogenese ist deren Produktion während extra- und intrazellulären Wachstums essentiell. Mit Hilfe verschiedener Mikroskopie-Techniken wird in dieser Dissertation gezeigt, dass die Abschnürung von OMVs sowohl extrazellulär als auch intrazellulär in Legionella-spezifischen Phagosomen stattfindet und von einer intakten Bakterienmembran erfolgt. Des Weiteren werden OMVs nicht nur während der exponentiellen, sondern auch während der stationären Phase produziert. Diese Beobachtung ist bedeutend, weil sich L. pneumophila während der postexponentiellen Phase in die transmissive Form mit voller Virulenz differenziert und sich der Wechsel in die virulente Form folglich auch in der Zusammensetzung der OMVs widerspiegeln könnte. Der zweite Teil beschäftigt sich mit der Proteomanalyse der Sekretomfraktionen. Die Proteinidentifikation ergab 181 nicht-redundante Proteine im L. pneumophila-Sekretom, von denen 107 für die SSP-Fraktion und 33 für die OMV-Fraktion hochspezifisch sind. In beiden Fraktionen sind insgesamt 22 Typ-II-Sekretionssubstrate enthalten, die verschiedene degradierende Enzymaktivitäten aufweisen. Außerdem wurden 38 bisher putative Typ-II-Substrate, 3 Typ-IV-Substrate und 7 Eukaryoten-ähnliche Proteine detektiert. Die Analyse der Verteilung der Proteine zeigt, dass der prozentuale Anteil der „Virulenz-/Pathogenese“-Proteine in der OMV-Fraktion mit 24% gegenüber 11% in der SSP-Fraktion mehr als doppelt so hoch liegt. Acht Faktoren, u. a. das Mip-Protein, einer der Haupt-Virulenzfaktoren von L. pneumophila, sind nur auf OMVs beschränkt. Dies könnte darauf hindeuten, dass OMVs als spezifische Transportmittel für Virulenz-assoziierte Effektoren dienen. In der funktionalen Analyse der SSP- und OMV-Fraktionen wurden anhand verschiedener Techniken Aspekte untersucht, die während des Infektionsprozesses eine Rolle spielen. Dabei zeigt sich, dass SSPs und OMVs proteo- und lipolytische Enzymaktivitäten besitzen, die zur Zerstörung der Alveolaroberfläche, zur Transmigration der Bakterien durch Lungenepithelbarriere und Basallamina und letztendlich zur Ausbreitung von L. pneumophila im Lungengewebe und zur Milz beitragen könnten. Jedoch konnten für OMVs keine naheliegenden zytotoxischen oder zytolytischen Eigenschaften nachgewiesen werden. In Alveolarepithelzellen können sie ein spezifisches Zytokinsekretionsprofil induzieren, was ihre modulierenden Effekte auf Wirtszellen bestätigt. Die gezeigte Bindung von OMVs an Alveolarepithelzellen bildet die Voraussetzung für eine Interaktion mit den Wirtszellen. Ob dabei eine Fusion mit der Zytoplasmamembran und ein möglicher Transfer von Effektoren in die Wirtszelle stattfinden, bleibt zu klären. Abschließend werden diskutierte Funktionen sekretierter OMVs während der L. pneumophila-Infektion in einem Modell zusammengefasst. Diese neuen Ergebnisse zum Proteom des Sekretoms und zur Funktion von L. pneumophila-OMVs tragen zum besseren Verständnis der Interaktion von L. pneumophila mit seiner Umwelt und der Pathogenese bei. Gleichzeitig liefern sie eine wichtige theoretische Grundlage für zukünftige Forschungsarbeiten über Interaktionsprozesse und beteiligter Effektoren, deren tiefgreifendes Verständnis die Vorraussetzung für die Entwicklung neuer Strategien in der Therapie von Legionella-Infektionen bildet.
Escherichia coli wird als der häufigste Erreger von Harnwegsinfektionen des Menschen beschrieben. Um die Krankheit auslösen zu können, benötigen die Bakterien ganz bestimmte Eigenschaften, die als Virulenzfaktoren bezeichnet werden und durch die sie sich von apathogenen Stämmen unterscheiden. Der uropathogene E. coli Stamm 536 (O6:K15:H31) exprimiert verschiedene Virulenzfaktoren wie a-Hämolysin, die Adhäsine S-, P-related (Prf) und Typ 1-Fimbrien sowie das Kapselantigen K15. Außerdem wurden auch Enterobaktin- und Yersiniabaktin-Produktion sowie Serumresistenz nachgewiesen. Die Ausprägung der Virulenz hängt unter anderem mit dem Vorhandensein von Pathogenitätsinseln (PAI I536-V536) zusammen, die mit seltenen tRNA-Genen assoziiert sind. Die Deletion der Inseln PAI I536 und PAI II536 führt zum Verlust der Virulenz und zur Zerstörung der entsprechenden tRNA Gene. Es wurde festgestellt, daß die leuX-kodierte tRNA5Leu, die mit der PAI II536 assoziiert ist, einen Einfluß auf die Expression von Typ 1-Fimbrien sowie auf die Serumresistenz, Motilität und die Enterobaktin- und a-Hämolysin-Produktion hat. Ziel dieser Arbeit war die Analyse der Bedeutung der leuX-kodierten tRNA5Leu und der Pathogenitätsinseln I536 und II536 für die Expression von Proteinen sowie Typ 1-Fimbrien bei dem E. coli Stamm 536. Dazu wurde zunächst eine Proteomanalyse durchgeführt. Mit der Hilfe von 2D-Gelen wurde der Einfluß von leuX-kodierten tRNA5Leu und PAI I536 und PAI II536 auf die Expression verschiedener Proteine im E. coli Stamm 536 (PAI I536+, PAI II536+, leuX+) und seinen Mutanten: 536-21 (PAI I536-, PAI II536-, leuX-), 536D102 (PAI I536+, PAI II536+, leuX-) und 536R3 (PAI I536-, PAI II536-, leuX+) untersucht. Mit Hilfe von präparativen Gelen konnten in den zytosolischen Fraktionen 39 Unterschiede in der Expression von Proteinen nachgewiesen werden. Von diesen differentiell exprimierten Proteinen wurden 37 mit Hilfe von MALDI-TOF-MS identifiziert. Die zwei weiteren Proteine konnten nicht identifiziert werden. In den Kulturüberstandsfraktionen der untersuchten Stämme konnten drei Unterschiede in der Expression von Proteine nachgewiesen werden. Außerdem wurde der Einfluß der leuX-kodierten tRNA5Leu auf die Expression der Membranproteine der jeweiligen Stämme untersucht. Zu diesem Zwecke wurden sowohl ein- wie auch zweidimensionale Gele durchgeführt. Mit Hilfe von zweidimensionalen Gelen konnten zwischen den untersuchten Stämmen mehrere Unterschiede in der Expression von Proteinen festgestellt werden. Dabei konnten vier Unterschiede in der Proteinexpression detektiert werden. Mit Hilfe der 2 D-Gelelektrophorese wurde ein leuX-abhängiges Protein (YgaG), das ein Analogon des LuxS-Proteins ist, gefunden. Das LuxS-Protein ist ein Bestandteil des "Quorum sensing"-Systems von Vibrio harveyi und wird in ähnlicher Form bei vielen Bakterien beschrieben. Sein Einfluß auf die Pathogenität wurde bei vielen Bakterien beschrieben. Aus diesem Grund wurde eine ygaG-Mutante im E. coli Stamm 536 hergestellt. Anschließend wurde der Einfluß des YgaG-Proteins auf die Expression von Virulenzfaktoren überprüft und ein Proteomvergleich zwischen dem Wildtyp Stamm E. coli 536 und der ygaG-Mutante wurde durchgeführt. Die Expression der bekannten Virulenzfaktoren wurde von YgaG nicht beeinflußt. Weiterhin wurden Transkriptionsfusionen zwischen den Promotoren der fimB- und fimE-Gene mit dem promotorlosen ß-Galaktosidase-Gen (lacZ) konstruiert. Es sollte damit die Frage beantwortet werden, ob die leuX-kodierte tRNA5Leu als potentieller Regulator die Transkription von Typ 1-Fimbrien beeinflußt. Es konnten jedoch keine signifikanten Unterschiede in der Transkription von fimB und fimE zwischen dem Wildtyp Stamm 536 und der leuX-Mutante 536D102 festgestellt werden.
Die ATP-abhängige Serinprotease ClpXP ist für die Kontrolle und Verfügbarkeit einer großen Anzahl von Enzymen und regulatorischer Proteine sowie für den Abbau fehlge-falteter Proteine verantwortlich. Sie besteht aus zwei Komponenten, der Protease ClpP und der ATPase ClpX, welche für die Substratspezifität verantwortlich ist und zusätzlich als Chaperon wirken kann. Durch den gezielten Abbau globaler Regulatoren wie dem alternativen Sigmafaktor RpoS kommt die regulatorische Funktion der Protease auf post-translationaler Ebene zum Tragen. Um den Einfluss der Protease ClpXP auf die Virulenz-eigenschaften uropathogener Escherichia coli zu studieren, wurde der uropathogene E. coli Stamm 536 als Modellorganismus verwendet. Uropathogene E. coli Stämme werden als häufigste Erreger von Harnwegsinfektionen des Menschen beschrieben. Der E. coli Stamm 536 (O6:K15:H31) unterscheidet sich von apathogenen Stämmen durch die Anwesenheit von bislang sechs charakterisierten Pathogenitätsinseln (PAIs), die für eine Reihe verschiedener Virulenzfaktoren wie Prf- und S-Fimbrien, alpha-Hämolysin, dem Kapselantigen K15 und Eisenaufnahmesystemen kodieren. Zudem exprimiert der Stamm Curli-Fimbrien, eine Flagelle vom Serotyp H31 und ist aufgrund seines glatten Lipopolysaccharid Phänotyps (O6 Antigen) serumresistent. Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluss der Protease ClpXP auf die Regulation und Expression Virulenz-assoziierter Gene des E. coli Stammes 536 sowohl auf Protein-, als auch auf Transkriptebene näher zu charakterisieren. Um den Einfluss der clpX- und clpP-Deletion auf die Proteinexpression des E. coli Stammes 536 zu untersuchen, wurde die Methode der zweidimensionalen (2-D) Gelelektrophorese angewendet. Es wurden zytoplasmatische und extrazelluläre Proteine der logarithmischen und stationären Wachstumsphase untersucht und in diesem Zusammenhang jeweils ein internes Mastergel aller 93 identifizierten zytoplasmatischen und aller 127 identifizierten Proteinen des extrazellulären Proteoms angefertigt. In der zytoplasmatischen Fraktion konnte für 13 Proteine aus der logarithmischen und für 25 Proteine aus der stationären Wachstums-phase eine unterschiedliche Expression festgestellt werden. Die 2-D Analyse der Proteine aus dem Kulturüberstand ergab ein erhöhtes Sekretionsvermögen der clpX- und clpP-negativen Stämme sowohl in der logarithmischen als auch in der stationären Wachstums-phase. Darüber hinaus konnte eine reduzierte Expression von Hauptstrukturuntereinheiten der Prf-, S-, CS12-ähnlichen und Typ 1-Fimbrien sowie des Autotransporters Ag43 in den clpX- und clpP-Mutanten nachgewiesen werden. Zusätzlich wiesen diese Stämme eine verstärkte Expression des Flagellins FliC auf. Durch Western Blot-Analysen und weitere phänotypische Tests konnten die Ergebnisse aus den Proteomstudien für Prf-, S- und Typ 1-Fimbrien sowie für die Flagellenexpression bestätigt werden. Zudem war eine stark verlangsamte Expression von Curli und Cellulose bei Temperaturen unter 37 °C, eine erhöhte Motilität und ein „hyperflagellierter“ Phänotyp der clpX- und clpP-negativen Stämme zu beobachten. Demgegenüber hatte ClpXP keinen Einfluss auf die alpha-Hämolysinproduktion, die Expression des Lipopolysaccharides, die Serumresistenz und in vivo-Virulenz dieses Stammes. Bei anschließenden Transkriptionsanalysen (semiquantitative Real-Time Reverse Transkrip-tion (RT)-PCR) der Gene, welche für die Hauptstrukturuntereinheiten von Fimbrien kodieren, konnte eine reduzierte Transkription der Determinanten für Prf-, S-, und Curli-Fimbrien, aber eine erhöhte Transkription für Gencluster der Typ 1- und CS12-ähnlichen Fimbrien und keine Änderung der Transkriptmengen für Gene des Pix-Fimbrienoperons in den Mutantenstämmen nachgewiesen werden. Die Transkription der beiden Antigen 43 Varianten ORF52III und ORF47V war durch die Deletion von clpX und clpP gleichermaßen betroffen und deutlich reduziert. ClpXP hatte aber keinen Einfluss auf die Transkription des „Masterregulatorgens“ flhC der Flagellen-Regulationskaskade, beeinflusst jedoch die in der Hierarchie weiter unten liegender Operons positiv, da eine deutlich erhöhte Expression von fliA und fliC nachgewiesen werden konnte. Demzufolge hat ClpXP einen negativen regulatorischen Effekt auf die Flagellenexpression, der aber erst auf posttranskriptionaler oder posttranslationaler Ebene auftritt. Viele der beobachteten Einflüsse, v.a. auf die Flagellen- und Fimbrienexpression, konnten auf die fehlende regulatorische Wirkung von RpoS zurückgeführt werden, welches ausschließlich durch ClpXP degradiert wird. Zudem lassen die Ergebnisse vermuten, dass der globale Regulator Lrp, welcher eine wichtige Rolle bei der Regulation der Fimbrienexpression spielt, direkt oder indirekt durch ClpXP beeinflusst wird, wodurch die regulatorischen Netzwerke zusätzlich gestört werden.
Die haploide Amöbe Dictyostelium discoideum hat sich als geeinet erwiesen für die Untersuchung der zellulären Aspekte der Legionella Infektion. Nach der Aufnahme befindet sich L. pneumophila innerhalb eines unreifen Phagosoms das weder angesäuert wird noch mit Lysosomen fusioniert. In dieser Studie wurden die Wirtzellfaktoren untersucht, die Legionella eine erfolgreiche Kolonizierung des Wirt ermöglichen. Phagozytoseversuche mit spezifischen zellulären Inhibitoren und die Analyse der Aufnahme in definierten Wirtzell-Mutanten haben gezeigt, daß das zytoplasmatische Kalziumniveau, Zytoskelettproteine und die Kalzium-bindenden Proteine des ERs, Calreticulin und Calnexin, spezifisch die Aufnahme und das intrazelluläre Wachstum von L. pneumophila beeinflussen. Mikroskopisches Untersuchungen mit GFP-markierten Calnexin und Calreticulin haben gezeigt, dass beide Proteine spezifisch in den "phagocytic cups" der L. pneumophila-infizierten Wirtszellen akkumulieren. Beide Proteine umhüllten die replikative Vakuole von L. pneumophila während der gesamten Replikation des Bakteriums. Die kumulativen Effekte intrazellulären Kalziumniveaus, die räumliche Verteilung von Calnexin und Calreticulin und die Defekte Aufnahme und intrazelluläre Vermehrung von L. pneumophila im Calnexin- und Calreticulin-minus der Zellen deuten darauf hin, daß diese Faktoren ein Teil des Regulationssystems sind, der zu der Bildung der spezifische Vakuole von L. pneumophila führt.
We have previously shown that during an infection with Leishmania major, susceptible BALB/c mice, as opposed to mice of a resistant strain (C57BLl6), are primed by lipopolysaccharide for the production of high levels of tumor necrosis factor-\(\alpha\) (TNF-\(\alpha\)) which is known to be a potent maerophage M\(\Phi\) stimulator in other parasitic diseases. In the present study we investigated whether TNF-\(\alpha\) activates M\(\Phi\) for killing of L. major parasites. In the absence of interferon-y (IFN-\(\gamma\)) or lipopolysaccharide, TNF-\(\alpha\) (0.025-25000 U/ml) failed to activate peritoneal exudate M\(\Phi\) from BALB/c mice for killling of L. major amastigotes. In the presence of suboptimal doses of IFN-\(\gamma\) (5 or 10 Vlml), however, TNF-\(\alpha\) mediated a rapid elimination of intracellular parasites, which was highly significant compared to IFN-\(\gamma\) alone. Tbe combination of TNF with interleukin 4, in contrast, was inactive in this respect and allowed survival of intracellular parasites. From these data we conelude that the presence of IFN-\(\gamma\) is crucial for TNF-\(\alpha\)-mediated killing of L. major parasites by M\(\Phi\). Disease progression in susceptible mice therefore seems to be a consequence of a deficiency of IFN-\(\gamma\) and a predominance of interleukin 4 rather than the result of an excess amount of TNF-\(\alpha\).
Background
Malignant pleural effusion (MPE) is associated with advanced stages of lung cancer and is mainly dependent on invasion of the pleura and expression of vascular endothelial growth factor (VEGF) by cancer cells. As MPE indicates an incurable disease with limited palliative treatment options and poor outcome, there is an urgent need for new and efficient treatment options.
Methods
In this study, we used subcutaneously generated PC14PE6 lung adenocarcinoma xenografts in athymic mice that developed subcutaneous malignant effusions (ME) which mimic pleural effusions of the orthotopic model. Using this approach monitoring of therapeutic intervention was facilitated by direct observation of subcutaneous ME formation without the need of sacrificing mice or special imaging equipment as in case of MPE. Further, we tested oncolytic virotherapy using Vaccinia virus as a novel treatment modality against ME in this subcutaneous PC14PE6 xenograft model of advanced lung adenocarcinoma.
Results
We demonstrated significant therapeutic efficacy of Vaccinia virus treatment of both advanced lung adenocarcinoma and tumor-associated ME. We attribute the efficacy to the virus-mediated reduction of tumor cell-derived VEGF levels in tumors, decreased invasion of tumor cells into the peritumoral tissue, and to viral infection of the blood vessel-invading tumor cells. Moreover, we showed that the use of oncolytic Vaccinia virus encoding for a single-chain antibody (scAb) against VEGF (GLAF-1) significantly enhanced mono-therapy of oncolytic treatment.
Conclusions
Here, we demonstrate for the first time that oncolytic virotherapy using tumor-specific Vaccinia virus represents a novel and promising treatment modality for therapy of ME associated with advanced lung cancer.
Oligopeptides incorporating \(N3\)-(4-methoxyfumaroyl)-L-2,3-diaminopropanoic acid (FMDP), an inhibitor of glucosamine-6-phosphate synthase, exhibited growth inhibitory activity against \(Candida\) \(albicans\), with minimal inhibitory concentration values in the 0.05–50 μg mL\(^{-1}\) range. Uptake by the peptide permeases was found to be the main factor limiting an anticandidal activity of these compounds. Di- and tripeptide containing FMDP (F2 and F3) were transported by Ptr2p/Ptr22p peptide transporters (PTR) and FMDP-containing hexa-, hepta-, and undecapeptide (F6, F7, and F11) were taken up by the oligopeptide transporters (OPT) oligopeptide permeases, preferably by Opt2p/Opt3p. A phenotypic, apparent resistance of \(C. albicans\) to FMDP-oligopeptides transported by OPT permeases was triggered by the environmental factors, whereas resistance to those taken up by the PTR system had a genetic basis. Anticandidal activity of longer FMDP-oligopeptides was strongly diminished in minimal media containing easily assimilated ammonium sulfate or L-glutamine as the nitrogen source, both known to downregulate expression of the OPT genes. All FMDP-oligopeptides tested were more active at lower pH and this effect was slightly more remarkable for peptides F6, F7, and F11, compared to F2 and F3. Formation of isolated colonies was observed inside the growth inhibitory zones induced by F2 and F3 but not inside those induced by F6, F7, and F11. The vast majority (98%) of those colonies did not originate from truly resistant cells. The true resistance of 2% of isolates was due to the impaired transport of di- and to a lower extent, tripeptides. The resistant cells did not exhibit a lower expression of \(PTR2\), \(PTR22\), or \(OPT1–3\) genes, but mutations in the \(PTR2\) gene resulting in T422H, A320S, D119V, and A320S substitutions in the amino acid sequence of Ptr2p were found.
Compared to transcriptional activation, other mechanisms of gene regulation have not been widely exploited for the control of transgenes. One barrier to the general use and application of alternative splicing is that splicing-regulated transgenes have not been shown to be reliably and simply designed. Here, we demonstrate that a cassette bearing a suicide exon can be inserted into a variety of open reading frames (ORFs), generating transgenes whose expression is activated by exon skipping in response to a specific protein inducer. The surprisingly minimal sequence requirements for the maintenance of splicing fidelity and regulation indicate that this splicing cassette can be used to regulate any ORF containing one of the amino acids Glu, Gln or Lys. Furthermore, a single copy of the splicing cassette was optimized by rational design to confer robust gene activation with no background expression in plants. Thus, conditional splicing has the potential to be generally useful for transgene regulation.
The sfa determinant codes for S fimbrial adhesins which constitute adherence factors of pathogenic Escherichia coli strains. Wehave recently shown that the sfa determinant is transcribed from three prömoters, pA, pB, and pC. In comparison with the promoters pB and pC, promoter pA, which is located in front of the structural gene sfaA, showed very weak activity. Herewe have determined the exact positions ofthe mRNA start points by primer extension studies. We have also shown that mRNAs of 500, 700 and 1400 bases can be detected using oligonucleotide probes specific for the genes sfaB, sfaC and sfaA. SfaB and SfaC arepositive regulators infiuencing fimbriation and the production of the S-specific adhesin which is encoded by the gene sfaS Iocated in the distal half of the determinant. In addition, it is demonstrated that SfaB and SfaC interfere with the regulatory effect of the histone-like protein H-NS, encoded by a locus termed drdX or osmZ. In a drdx+ strain the regulators are necessary for transcription of the sfa determinant. In contrast, sfa expression is activator-independent in a drdx- strain. In this latter genetic background, a substantial fraction of the sfa transcripts is initiated from promoter pA. On the basis of these data we discuss a model for the regulation of this adhesin-specific determinant.
Bacteriophage AR9 is a recently sequenced jumbo phage that encodes two multisubunit RNA polymerases. Here we investigated the AR9 transcription strategy and the effect of AR9 infection on the transcription of its host, Bacillus subtilis. Analysis of whole-genome transcription revealed early, late, and continuously expressed AR9 genes. Alignment of sequences upstream of the 5′ ends of AR9 transcripts revealed consensus sequences that define early and late phage promoters. Continuously expressed AR9 genes have both early and late promoters in front of them. Early AR9 transcription is independent of protein synthesis and must be determined by virion RNA polymerase injected together with viral DNA. During infection, the overall amount of host mRNAs is significantly decreased. Analysis of relative amounts of host transcripts revealed notable differences in the levels of some mRNAs. The physiological significance of up- or downregulation of host genes for AR9 phage infection remains to be established. AR9 infection is significantly affected by rifampin, an inhibitor of host RNA polymerase transcription. The effect is likely caused by the antibiotic-induced killing of host cells, while phage genome transcription is solely performed by viral RNA polymerases.
Background: RNA-seq and its variant differential RNA-seq (dRNA-seq) are today routine methods for transcriptome analysis in bacteria. While expression profiling and transcriptional start site prediction are standard tasks today, the problem of identifying transcriptional units in a genome-wide fashion is still not solved for prokaryotic systems.
Results: We present RNASEG, an algorithm for the prediction of transcriptional units based on dRNA-seq data. A key feature of the algorithm is that, based on the data, it distinguishes between transcribed and un-transcribed genomic segments. Furthermore, the program provides many different predictions in a single run, which can be used to infer the significance of transcriptional units in a consensus procedure. We show the performance of our method based on a well-studied dRNA-seq data set for Helicobacter pylori.
Conclusions: With our algorithm it is possible to identify operons and 5'- and 3'-UTRs in an automated fashion. This alleviates the need for labour intensive manual inspection and enables large-scale studies in the area of comparative transcriptomics.
Malaria and HIV are among the most important global health problems of our time and together are responsible for approximately 3 million deaths annually. These two diseases overlap in many regions of the world including sub-Saharan Africa, Southeast Asia and South America, leading to a higher risk of co-infection. In this study, we generated and characterized hybrid molecules to target P. falciparum and HIV simultaneously for a potential HIV/malaria combination therapy. Hybrid molecules were synthesized by covalent fusion between azidothymidine (AZT) and dihydroartemisinin (DHA), tetraoxane or chloroquine (CQ); and a small library was generated and tested for antiviral and antimalarial activity. Our data suggest that dihyate is the most potent molecule in vitro, with antiplasmodial activity comparable to that of DHA (IC50 = 26 nM, SI > 3000), a moderate activity against HIV (IC50 = 2.9 µM; SI > 35) and safe to HeLa cells at concentrations used in the assay (CC50 > 100 µM). Pharmacokinetic studies further revealed that dihyate is metabolically unstable and is cleaved following an O-dealkylation once in contact with cytochrome P450 enzymes. The later further explains the uneffectiveness of dihyate against the CQ-sensitive P. berghei N strain in mice when administered by oral route at 20 mg/kg. Here, we report on a first approach to develop antimalarial/anti-HIV hybrid molecules and future optimization efforts will aim at producing second generation hybrid molecules to improve activity against HIV as well as compound bioavailability. With the emergence of resistant parasites against all the counterpart drugs of artemisinin derivatives used in artemisinin based combination therapies (ACTs), the introduction of antibiotics in the treatment of malaria has renewed interest on the identification of antibiotics with potent antimalarial properties. In this study we also investigated the antiplasmodial potential of thiostrepton and derivatives, synthesized using combinations of tail truncation, oxidation, and addition of lipophilic thiols to the terminal dehydroamino acid. We showed that derivatives SS231 and SS234 exhibit a better antiplasmodial activity (IC50 = 1 µM SI > 59 and SI > 77 respectively) than thiostrepton (IC50 = 8.95 µM, SI = 1.7). The antiplasmodial activity of these derivatives was observed at concentrations which are not hemolytic and non-toxic to human cell lines. Thiostrepton and derivatives appeared to exhibit transmission blocking properties when administered at their IC50 or IC90 concentrations and our data also showed that they attenuate proteasome activity of Plasmodium, which resulted in an accumulation of ubiquitinated proteins after incubation with their IC80 concentrations. Our results indicate that the parasite’s proteasome could be an attractive target for therapeutic intervention. In this regard, thiostrepton derivatives are promising candidates by dually acting on two independent targets, the proteasome and the apicoplast, with the capacity to eliminate both intraerythrocytic asexual and transmission stages of the parasite. To further support our findings, we evaluated the activity of a new class of antimalarial and proteasome inhibitors namely peptidyl sulfonyl fluorides on gametocyte maturation and analogues AJ34 and AJ38 were able to completely suppress gametocytogenesis at IC50 concentrations (0.23 µM and 0.17 µM respectively) suggesting a strong transmission blocking potential. The proteasome, a major proteolytic complex, responsible for the degradation and re-cycling of non-functional proteins has been studied only indirectly in P. falciparum. In addition, an apparent proteasome-like protein with similarity to bacterial ClpQ/hslV threonine-peptidases was predicted in the parasite. Antibodies were generated against the proteasome subunits alpha type 5 (α5-SU), beta type 5 (β5-SU) and pfhslV in mice and we showed that the proteasome is expressed in both sexual and asexual blood stages of P. falciparum, where they localize in the nucleus and in the cytoplasm. However, expression of PfhslV was only observed in trophozoites and shizonts. The trafficking of the studied proteasome subunits was further investigated by generating parasites expressing GFP tagged proteins. The expression of α5-SU-GFP in transgenic parasite appeared to localize abundantly in the cytoplasm of all blood stages, and no additional information was obtained from this parasite line. In conclusion, our data highlight two new tools towards combination therapy. Hybrid molecules represent promising tools for the cure of co-infected individuals, while very potent antibiotics with a wide scope of activities could be useful in ACTs by eliminating resistant parasites and limiting transmission of both, resistances and disease.
Sepsis caused by Gram-positive bacterial pathogens is a major fatal disease but its molecular basis remains elusive. Toll-like receptor 2 (TLR2) has been implicated in the orchestration of inflammation and sepsis but its role appears to vary for different pathogen species and clones. Accordingly, Staphylococcus aureus clinical isolates differ substantially in their capacity to activate TLR2. Here we show that strong TLR2 stimulation depends on high-level production of phenol-soluble modulin (PSM) peptides in response to the global virulence activator Agr. PSMs are required for mobilizing lipoproteins, the TLR2 agonists, from the staphylococcal cytoplasmic membrane. Notably, the course of sepsis caused by PSM-deficient S. aureus is similar in wild-type and TLR2-deficient mice, but TLR2 is required for protection of mice against PSM-producing S. aureus. Thus, a crucial role of TLR2 depends on agonist release by bacterial surfactants. Modulation of this process may lead to new therapeutic strategies against Gram-positive infections.
The fungal cell wall is essential for the maintenance of cellular integrity and mediates interactions of the cells with the environment. It is a highly flexible organelle whose composition and organization is modulated in response to changing growth conditions. In the pathogenic yeast Candida albicans, a network of signaling pathways regulates the structure of the cell wall, and mutants with defects in these pathways are hypersensitive to cell wall stress. By harnessing a library of genetically activated forms of all C. albicans zinc cluster transcription factors, we found that a hyperactive Czf1 rescued the hypersensitivity to cell wall stress of different protein kinase deletion mutants. The hyperactive Czf1 induced the expression of many genes with cell wall-related functions and caused visible changes in the cell wall structure. C. albicans czf1Δ mutants were hypersensitive to the antifungal drug caspofungin, which inhibits cell wall biosynthesis. The changes in cell wall architecture caused by hyperactivity or absence of Czf1 resulted in an increased recognition of C. albicans by human neutrophils. Our results show that Czf1, which is known as a regulator of filamentous growth and white-opaque switching, controls the expression of cell wall genes and modulates the architecture of the cell wall.
Abstract
Protein kinases are central components of almost all signaling pathways that control cellular activities. In the model organism Saccharomyces cerevisiae, the paralogous protein kinases Ypk1 and Ypk2, which control membrane lipid homeostasis, are essential for viability, and previous studies strongly indicated that this is also the case for their single ortholog Ypk1 in the pathogenic yeast Candida albicans. Here, using FLP-mediated inducible gene deletion, we reveal that C. albicans ypk1Δ mutants are viable but slow-growing, explaining prior failures to obtain null mutants. Phenotypic analyses of the mutants showed that the functions of Ypk1 in regulating sphingolipid biosynthesis and cell membrane lipid asymmetry are conserved, but the consequences of YPK1 deletion are milder than in S. cerevisiae. Mutational studies demonstrated that the highly conserved PDK1 phosphorylation site T548 in its activation loop is essential for Ypk1 function, whereas the TORC2 phosphorylation sites S687 and T705 at the C-terminus are important for Ypk1-dependent resistance to membrane stress. Unexpectedly, Pkh1, the single C. albicans orthologue of Pkh1/Pkh2, which mediate Ypk1 phosphorylation at the PDK1 site in S. cerevisiae, was not required for normal growth of C. albicans under nonstressed conditions, and Ypk1 phosphorylation at T548 was only slightly reduced in pkh1Δ mutants. We found that another protein kinase, Pkh3, whose ortholog in S. cerevisiae cannot substitute Pkh1/2, acts redundantly with Pkh1 to activate Ypk1 in C. albicans. No phenotypic effects were observed in cells lacking Pkh3 alone, but pkh1Δ pkh3Δ double mutants had a severe growth defect and Ypk1 phosphorylation at T548 was completely abolished. These results establish that Ypk1 is not essential for viability in C. albicans and that, despite its generally conserved function, the Ypk1 signaling pathway is rewired in this pathogenic yeast and includes a novel upstream kinase to activate Ypk1 by phosphorylation at the PDK1 site.
Author summary
Protein kinases are key components of cellular signaling pathways, and elucidating the specific roles of individual kinases is important to understand how organisms adapt to changes in their environment. The protein kinase Ypk1 is highly conserved in eukaryotic organisms and crucial for the maintenance of cell membrane homeostasis. It was previously thought that Ypk1 is essential for viability in the pathogenic yeast Candida albicans, as in the model organism Saccharomyces cerevisiae. Here, by using forced, inducible gene deletion, we reveal that C. albicans mutants lacking Ypk1 are viable but have a strong growth defect. The phenotypes of the mutants indicate that the known functions of Ypk1 are conserved in C. albicans, but loss of this kinase has less severe consequences than in S. cerevisiae. We also unravel the puzzling previous observation that C. albicans mutants lacking the Ypk1-activating kinase Pkh1, which is essential in S. cerevisiae, have no obvious growth defects. We show that the protein kinase Pkh3, which has not previously been implicated in the Ypk1 signaling pathway, can substitute Pkh1 and activate Ypk1 in C. albicans. These findings provide novel insights into this conserved signaling pathway and how it is rewired in a human-pathogenic fungus.
The yeast form of the fungus Candida albicans promotes persistence in the gut of gnotobiotic mice
(2017)
Many microorganisms that cause systemic, life-threatening infections in humans reside as harmless commensals in our digestive tract. Yet little is known about the biology of these microbes in the gut. Here, we visualize the interface between the human commensal and pathogenic fungus Candida albicans and the intestine of mice, a surrogate host. Because the indigenous mouse microbiota restricts C. albicans settlement, we compared the patterns of colonization in the gut of germ free and antibiotic-treated conventionally raised mice. In contrast to the heterogeneous morphologies found in the latter, we establish that in germ free animals the fungus almost uniformly adopts the yeast cell form, a proxy of its commensal state. By screening a collection of C. albicans transcription regulator deletion mutants in gnotobiotic mice, we identify several genes previously unknown to contribute to in vivo fitness. We investigate three of these regulators—ZCF8, ZFU2 and TRY4—and show that indeed they favor the yeast form over other morphologies. Consistent with this finding, we demonstrate that genetically inducing non-yeast cell morphologies is detrimental to the fitness of C. albicans in the gut. Furthermore, the identified regulators promote adherence of the fungus to a surface covered with mucin and to mucus-producing intestinal epithelial cells. In agreement with this result, histology sections indicate that C. albicans dwells in the murine gut in close proximity to the mucus layer. Thus, our findings reveal a set of regulators that endows C. albicans with the ability to endure in the intestine through multiple mechanisms.
All Staphylococcus aureus genomes contain a genomic island, which is termed vSa\(\alpha\) and characterized by two clusters of tandem repeat sequences, i.e. the exotoxin (set) and 'lipoprotein-like' genes (lpl). Based on their structural similarities the vSa\(\alpha\) islands have been classified as type I to IV. The genomes of highly pathogenic and particularly epidemic S. aureus strains (USA300, N315, Mu50, NCTC8325, Newman, COL, JH1 or JH9) belonging to the clonal complexes CC5 and CC8 bear a type I vSa\(\alpha\) island. Since the contribution of the lpl gene cluster encoded in the vSa\(\alpha\) island to virulence is unclear to date, we deleted the entire lpl gene cluster in S. aureus USA300. The results showed that the mutant was deficient in the stimulation of pro-inflammatory cytokines in human monocytes, macrophages and keratinocytes. Purified lipoprotein Lpl1 was further shown to elicit a TLR2-dependent response. Furthermore, heterologous expression of the USA300 lpl cluster in other S. aureus strains enhanced their immune stimulatory activity. Most importantly, the lpl cluster contributed to invasion of S. aureus into human keratinocytes and mouse skin and the non-invasive S. carnosus expressing the lpl gene cluster became invasive. Additionally, in a murine kidney abscess model the bacterial burden in the kidneys was higher in wild type than in mutant mice. In this infection model the lpl cluster, thus, contributes to virulence. The present report is one of the first studies addressing the role of the vSa\(\alpha\) encoded lpl gene cluster in staphylococcal virulence. The finding that the lpl gene cluster contributes to internalization into non-professional antigen presenting cells such as keratinocytes high-lights the lpl as a new cell surface component that triggers host cell invasion by S. aureus. Increased invasion in murine skin and an increased bacterial burden in a murine kidney abscess model suggest that the lpl gene cluster serves as an important virulence factor.
Two-component systems (TCSs) are the most important sensing mechanisms in bacteria. In Streptomyces, TCSs-mediated responses to environmental stimuli are involved in the regulation of antibiotic production. This study examines the individual role of two histidine kinases (HKs), AbrC1 and AbrC2, which form part of an atypical TCS in Streptomyces coelicolor. gRT-PCR analysis of the expression of both kinases demonstrated that both are expressed at similar levels in NB and NMMP media. Single deletion of abrC1 elicited a significant increase in antibiotic production, while deletion of abrC2 did not have any clear effect. The origin of this phenotype, probably related to the differential phosphorylation ability of the two kinases, was also explored indirectly, analyzing the toxic phenotypes associated with high levels of phosphorylated RR. The higher the AbrC3 regulator phosphorylation rate, the greater the cell toxicity. For the first time, the present work shows in Streptomyces the combined involvement of two different HKs in the response of a regulator to environmental signals. Regarding the possible applications of this research, the fact that an abrC1 deletion mutant overproduces three of the S. coelicolor antibiotics makes this strain an excellent candidate as a host for the heterologous production of secondary metabolites.
Syngeneic memory cells can be stimulated to yield a secondary immune response after their transfer into irradiated euthymie recipients as well as into young thymusless nude mice. It is shown that nude mice older than twelve weeks of age are not permissive towards memory cell activation as it is found in non-irradiated euthymie animals. This barrier to isogeneie or congeneic cells seems to be caused by a pool of cyclophosphamide-sensitive cells. Since young nude mice could be rendered as unpermissive as older nude mice by pretreatment with either PNA-agglutinable thymus cells or nylon-wool passed spleen cells, it is suggested that an increased number of precursor T cells in older nude mice might induce this effect. Further experiments with monoclonal antibodies against the Lyt-l, Lyt-2, and L3T4 marker on T cells indicate that T -helper/inducer activity might be required to establish the "isogeneie barrief" in nude mice.
The pathogenic yeast Candida albicans can develop resistance to the widely used antifungal agent fluconazole, which inhibits ergosterol biosynthesis, by the overexpression of genes encoding multidrug efflux pumps or ergosterol biosynthesis enzymes. Zinc cluster transcription factors play a central role in the transcriptional regulation of drug resistance. Mrr1 regulates the expression of the major facilitator MDR1, Tac1 controls the expression of the ABC transporters CDR1 and CDR2, and Upc2 regulates ergosterol biosynthesis (ERG) genes. Gain-of-function mutations in these transcription factors result in constitutive overexpression of their target genes and are responsible for fluconazole resistance in many clinical C. albicans isolates. The transcription factor Ndt80 contributes to the drug-induced upregulation of CDR1 and ERG genes and also binds to the MDR1 and CDR2 promoters, suggesting that it is an important component of all major transcriptional mechanisms of fluconazole resistance. However, we found that Ndt80 is not required for the induction of MDR1 and CDR2 expression by inducing chemicals. CDR2 was even partially derepressed in ndt80D mutants, indicating that Ndt80 is a repressor of CDR2 expression. Hyperactive forms of Mrr1, Tac1, and Upc2 promoted overexpression of MDR1, CDR1/CDR2, and ERG11, respectively, with the same efficiency in the presence and absence of Ndt80. Mrr1- and Tac1-mediated fluconazole resistance was even slightly enhanced in ndt80D mutants compared to wild-type cells. These results demonstrate that Ndt80 is dispensable for the constitutive overexpression of Mrr1, Tac1, and Upc2 target genes and the increased fluconazole resistance of strains that have acquired activating mutations in these transcription factors.
Transposon insertion sequencing is a high-throughput technique for assaying large libraries of otherwise isogenic transposon mutants providing insight into gene essentiality, gene function and genetic interactions. We previously developed the Transposon Directed Insertion Sequencing (TraDIS) protocol for this purpose, which utilizes shearing of genomic DNA followed by specific PCR amplification of transposon-containing fragments and Illumina sequencing. Here we describe an optimized high-yield library preparation and sequencing protocol for TraDIS experiments and a novel software pipeline for analysis of the resulting data. The Bio-Tradis analysis pipeline is implemented as an extensible Perl library which can either be used as is, or as a basis for the development of more advanced analysis tools. This article can serve as a general reference for the application of the TraDIS methodology.
Model enteric bacteria such as Escherichia coli and Salmonella enterica express hundreds of small non-coding RNAs (sRNAs), targets for most of which are yet unknown. Some sRNAs are remarkably well conserved, indicating that they serve cellular functions that go beyond the necessities of a single species. One of these ‘core sRNAs’ of largely unknown function is the abundant ∼100-nucleotide SdsR sRNA which is transcribed by the general stress σ-factor, σ\(^{S}\) and accumulates in stationary phase. In Salmonella, SdsR was known to inhibit the synthesis of the species-specific porin, OmpD. However, sdsR genes are present in almost all enterobacterial genomes, suggesting that additional, conserved targets of this sRNA must exist. Here, we have combined SdsR pulse-expression with whole genome transcriptomics to discover 20 previously unknown candidate targets of SdsR which include mRNAs coding for physiologically important regulators such as the carbon utilization regulator, CRP, the nucleoid-associated chaperone, StpA and the antibiotic resistance transporter, TolC. Processing of SdsR by RNase E results in two cellular SdsR variants with distinct target spectra. While the overall physiological role of this orphan core sRNA remains to be fully understood, the new SdsR targets present valuable leads to determine sRNA functions in resting bacteria.
The cell wall synthesis pathway producing peptidoglycan is a highly coordinated and tightly regulated process. Although the major components of bacterial cell walls have been known for decades, the complex regulatory network controlling peptidoglycan synthesis and many details of the cell division machinery are not well understood. The eukaryotic-like serine/threonine kinase Stk and the cognate phosphatase Stp play an important role in cell wall biosynthesis and drug resistance in S. aureus. We show that stp deletion has a pronounced impact on cell wall synthesis. Deletion of stp leads to a thicker cell wall and decreases susceptibility to lysostaphin. Stationary phase Δstp cells accumulate peptidoglycan precursors and incorporate higher amounts of incomplete muropeptides with non-glycine, monoglycine and monoalanine interpeptide bridges into the cell wall. In line with this cell wall phenotype, we demonstrate that the lipid II:glycine glycyltransferase FemX can be phosphorylated by the Ser/Thr kinase Stk in vitro. Mass spectrometric analyses identify Thr32, Thr36 and Ser415 as phosphoacceptors. The cognate phosphatase Stp dephosphorylates these phosphorylation sites. Moreover, Stk interacts with FemA and FemB, but is unable to phosphorylate them. Our data indicate that Stk and Stp modulate cell wall synthesis and cell division at several levels.
Numerous small non-coding RNAs (sRNAs) in bacteria modulate rates of translation initiation and degradation of target mRNAs, which they recognize through base-pairing facilitated by the RNA chaperone Hfq. Recent evidence indicates that the ternary complex of Hfq, sRNA and mRNA guides endoribonuclease RNase E to initiate turnover of both the RNAs. We show that a sRNA not only guides RNase E to a defined site in a target RNA, but also allosterically activates the enzyme by presenting a monophosphate group at the 5′-end of the cognate-pairing “seed.” Moreover, in the absence of the target the 5′-monophosphate makes the sRNA seed region vulnerable to an attack by RNase E against which Hfq confers no protection. These results suggest that the chemical signature and pairing status of the sRNA seed region may help to both ‘proofread’ recognition and activate mRNA cleavage, as part of a dynamic process involving cooperation of RNA, Hfq and RNase E.
This thesis aimed at searching for new effective agents against Multidrug-Resistant Enterobacteriaceae. This is necessitated by the urgent need for new and innovative antibacterial agents addressing the critical priority pathogens prescribed by the World Health Organization (WHO). Among the available means for antibiotics discovery and development, nature has long remained a proven, innovative, and highly reliable gateway to successful antibacterial agents. Nevertheless, numerous challenges surrounding this valuable source of antibiotics among other drugs are limiting the complete realization of its potential. These include the availability of good quality data on the highly potential natural sources, limitations in methods to prepare and screen crude extracts, bottlenecks in reproducing biological potentials observed in natural sources, as well as hurdles in isolation, purification, and characterization of natural compounds with diverse structural complexities.
Through an extensive review of the literature, it was possible to prepare libraries of plant species and phytochemicals with reported high potentials against Escherichia coli and Klebsiella pneumnoniae. The libraries were profiled to highlight the existing patterns and relationships between the reported antibacterial activities and studied plants’ families and parts, the type of the extracting solvent, as well as phytochemicals’ classes, drug-likeness and selected parameters for enhanced accumulation within the Gram-negative bacteria. In addition, motivations, objectives, the role of traditional practices and other crucial experimental aspects in the screening of plant extracts for antibacterial activities were identified and discussed.
Based on the implemented strict inclusion criteria, the created libraries grant speedy access to well-evaluated plant species and phytochemicals with potential antibacterial activities. This way, further studies in yet unexplored directions can be pursued from the indicated or related species and compounds. Moreover, the availability of compound libraries focusing on related bacterial species serves a great role in the ongoing efforts to develop the rules of antibiotics penetrability and accumulation, particularly among Gram-negative bacteria. Here, in addition to hunting for potential scaffolds from such libraries, detailed evaluations of large pool compounds with related antibacterial potential can grant a better understanding of structural features crucial for their penetration and accumulation. Based on the scarcity of compounds with broad structural diversity and activity against Gram-negative bacteria, the creation and updating of such libraries remain a laborious but important undertaking.
A Pressurized Microwave Assisted Extraction (PMAE) method over a short duration and low-temperature conditions was developed and compared to the conventional cold maceration over a prolonged duration. This method aimed at addressing the key challenges associated with conventional extraction methods which require long extraction durations, and use more energy and solvents, in addition to larger quantities of plant materials. Furthermore, the method was intended to replace the common use of high temperatures in most of the current MAE applications. Interestingly, the yields of 16 of 18 plant samples under PMAE over 30 minutes were found to be within 91–139% of those obtained from the 24h extraction by maceration. Additionally, different levels of selectivity were observed upon an analytical comparison of the extracts obtained from the two methods. Although each method indicated selective extraction of higher quantities or additional types of certain phytochemicals, a slightly larger number of additional compounds were observed under maceration. The use of this method allows efficient extraction of a large number of samples while sparing heat-sensitive compounds and minimizing chances for cross-reactions between phytochemicals.
Moreover, findings from another investigation highlighted the low likelihood of reproducing antibacterial activities previously reported among various plant species, identified the key drivers of poor reproducibility, and proposed possible measures to mitigate the challenge. The majority of extracts showed no activities up to the highest tested concentration of 1024 µg/mL. In the case of identical plant species, some activities were observed only in 15% of the extracts, in which the Minimum Inhibitory Concentrations (MICs) were 4 – 16-fold higher than those in previous reports. Evaluation of related plant species indicated better outcomes, whereby about 18% of the extracts showed activities in a range of 128–512 μg/mL, some of the activities being superior to those previously reported in related species.
Furthermore, solubilizing plant crude extracts during the preparation of test solutions for Antibacterial Susceptibility Testing (AST) assays was outlined as a key challenge. In trying to address this challenge, some studies have used bacteria-toxic solvents or generally unacceptable concentrations of common solubilizing agents. Both approaches are liable to give false positive results. In line with this challenge, this study has underscored the suitability of acetone in the solubilization of crude plant extracts. Using acetone, better solubility profiles of crude plant extracts were observed compared to dimethyl sulfoxide (DMSO) at up to 10 %v/v. Based on lacking toxicity against many bacteria species at up to 25 %v/v, its use in the solubilization of poorly water-soluble extracts, particularly those from less polar solvents is advocated.
In a subsequent study, four galloylglucoses were isolated from the leaves of Paeonia officinalis L., whereby the isolation of three of them from this source was reported for the first time. The isolation and characterization of these compounds were driven by the crucial need to continually fill the pre-clinical antibiotics pipeline using all available means. Application of the bioautography-guided isolation and a matrix of extractive, chromatographic, spectroscopic, and spectrometric techniques enabled the isolation of the compounds at high purity levels and the ascertainment of their chemical structures.
Further, the compounds exhibited the Minimum Inhibitory Concentrations (MIC) in a range of 2–256 µg/mL against Multidrug-Resistant (MDR) strains of E. coli and K. pneumonia exhibiting diverse MDR phenotypes. In that, the antibacterial activities of three of the isolated compounds were reported for the first time. The observed in vitro activities of the compounds resonated with their in vivo potentials as determined using the Galleria mellonella larvae model. Additionally, the susceptibility of the MDR bacteria to the galloylglucoses was noted to vary depending on the nature of the resistance enzymes expressed by the MDR bacteria. In that, the bacteria expressing enzymes with higher content of aromatic amino acids and zero or positive net charges were generally more susceptible. Following these findings, a plausible hypothesis for the observed patterns was put forward.
The generally challenging pharmacokinetic properties of galloylglucoses limit their further development into therapeutic agents. However, the compounds can replace or reduce the use of antibiotics in livestock keeping as well as in the treatment of septic wounds and topical or oral cavity infections, among other potential uses.
Using nature-inspired approaches, a series of glucovanillin derivatives were prepared following feasible synthetic pathways which in most cases ensured good yields and high purity levels. Some of the prepared compounds showed MIC values in a range of 128 – 512 μg/mL against susceptible and MDR strains of Klebsiella pneumoniae, Methicillin-Resistant Staphylococcus aureus (MRSA) and Vancomycin-Resistant Enterococcus faecium (VRE). These findings emphasize the previously reported essence of small molecular size, the presence of protonatable amino groups and halogen atoms, as well as an amphiphilic character, as crucial features for potential antibacterial agents.
Due to the experienced limited success in the search for new antibacterial agents using purely synthetic means, pursuing semi-synthetic approaches as employed in this study are highly encouraged. This way, it is possible to explore broader chemical spaces around natural scaffolds while addressing their inherent limitations such as solubility, toxicity, and poor pharmacokinetic profiles.
The role of macrophages in primary and secondary infection of mice with Salmonella typhimurium
(1982)
Elimination of macrophages with high-molecular dextran sulphate (OS) markedly impairs resistance of mice to primary infection with smooth, virulent strains of Salmonella typhimurium, whereas stimulation of this system by killed Bordetella pertussis organisms increases resistance. In infection with rough, avirulent strains of S. iyphimurium the elimination of macro phages was not followed by an essential loss of resistance, and it appears that other non-specific defence mechanisms, for example the complement system, may have compensated for the lack of macrophages. Macrophages, therefore, play an important role in defence during primary infection with virulent strains. In immunity to challenge infection with S. typhimurium, macrophages play an even more significant role. Treatment with OS completely removes immunity, and both humoral and cell-mediated immune mechanisms seem to require the participation of macrophages.
Cutaneous leishmaniasis is an infectious disease that is endemic especially in tropical and desert regions with an incidence of 1.5 million cases per year and a prevalence of 12 million people infected worldwide. The infection can be caused by the intracellular parasite Leishmania major. The disease has been studied extensively in the murine model. It has become apparent that the induction of a class of interferon (IFN)--producing CD4+ T helper cells (TH1 cells) that activate macrophages to kill the parasites they harbor is desicive for the establishment of immunity. The redirection of the host’s immune response towards a protective TH1 phenotype will also be the key to an effective vaccine. Dendritic cells (DC) loaded with leishmanial antigens ex vivo were lately described as vaccines against L. major infections. One single recombinant Leishmania antigen, LeIF (Leishmania homologue of eukaryotic ribosomal initiation factor 4a), which was identified as a protein that stimulates DC to secrete interleukin (IL)-12 and discussed as a pattern-associated molecular pattern (PAMP), was found to mediate a protective TH1-dependent effect when used for pulsing of DC. The application of recombinant proteins is tied to many disadvantages, which is why other methods of antigen administration have been developed. RNA electroporation of DC has recently emerged from tumor research as a safe and versatile method of antigen delivery, by which a large number of RNA molecules encoding a specific antigen gains access to the cytosol of DC by an electrical impulse. The present study describes, for the first time, transfection of DC with RNA encoding a molecularly defined parasite antigen. Initially, a standardized protocol for RNA transfection was established, using the enhanced green fluorescent protein (EGFP) as reporter antigen. EGFP-RNA was well translatable in an in vitro translation system, and both a DC cell line (fetal skin-derived DC; FSDC) and murine primary bone marrow-derived DC (BMDC) could be transfected efficiently, with a yield of up to 90% and 75%, respectively. In both cell types, maximal transfection efficiency was attained with 20 µg RNA and could not be further increased with larger amounts of RNA. The level of antigen expression, measured as the mean fluorescence intensity (MFI) by flow cytometry, was directly proportional to the amount of RNA used for transfection. In FSDC, transfection efficiency and MFI were generally higher than in BMDC when the same amounts of RNA were used. Furthermore, the kinetics was shown to be sensitive to treatment with lipopolysaccharide (LPS): the expression peak was higher and was reached sooner, followed by a more rapid decline. In transfection experiments with LeIF, two variants of LeIF-RNA were used: LeIF(fl)-RNA, encoding the complete LeIF sequence, and LeIF(226)-RNA, encoding only the aminoterminal half of the LeIF sequence (226 amino acids), the immunogenic part of LeIF. Only LeIF(fl) was detectable by Western Blot in whole cell lysates of BMDC after LeIF(fl)-RNA transfection, whereas LeIF(226) could never be detected in LeIF(226)-transfected BMDC. However, as both constructs were well translatable in a cell-free system, the failure to detect LeIF(226) in BMDC lysates did not represent a failure in RNA translation, but rather a rapid antigen degradation. It was therefore expected that LeIF(226)-transfected BMDC should nevertheless be able to present LeIF(226)-derived antigenic peptides to T cells from BALB/c mice primed with recombinant LeIF (rLeIF). This hypothesis was confirmed by measuring IFN- production in BMDC-T cell co-incubation assays, showing that rLeIF-pulsed, LeIF(226)- and LeIF(fl)-transfected day 7 BMDC did indeed activate T cells from LeIF-immunized mice in an antigen-specific manner. In contrast, IL-4 was not produced, which was consistent with the fact that T cells found in lymph nodes from LeIF-primed mice are primarily of the TH1 type. In the supernatants of LeIF-transfected BMDC cultures, in contrast to rLeIF-pulsed BMDC, the proinflammatory cytokines IL-1β, IL-6, IL-10 and IL-12 were not detected. This effect was not due to the electroporation procedure, as cytokine production by BMDC electroporated with rLeIF was only partially impaired. Also, the expression levels of CD86 were lower upon LeIF transfection than after pulsing with rLeIF. Thus, LeIF transfection did not induce maturation of DC. In conclusion, LeIF-transfected BMDC may have acted as semi-mature antigen-specific tolerance inducers, with regulatory T cells as responders. The effect of LeIF transfection on the immunostimulatory capacity of BMDC was not significantly increased when day 8 or 9 BMDC were used. However, day 8, and even more day 9 BMDC pulsed with rLeIF mounted a vigorous T cell response. Day 9 BMDC were able to activate naïve T cells. In conclusion, before a strong T cell response against LeIF can be induced, DC need to – besides presenting antigen and expressing co-stimulatory molecules – exhibit a susceptibility to the innate signaling molecule LeIF which is linked to their maturation age. This third signal is provided by extracellular rLeIF, but it is not conveyed – or is suppressed – by intracellular LeIF after LeIF-RNA transfection. Furthermore, electroporation of rLeIF abrogated IL-12 production by BMDC completely, the production of IL-1 was reduced with higher antigen doses, and the production of IL-10 was partially increased. The IL-6 production was unaffected. This altered cytokine profile suggests that LeIF as a PAMP might have a bipartite nature: besides exhibiting the capacity to stimulate IL-12 production upon extracellular presence, thereby enhancing host resistance against L. major, LeIF could also contribute to parasitic host evasion mechanisms from intracellular compartments of DC, possibly by interfering with mitogen-activated protein (MAP) kinase signaling pathways. Thus, the adjuvant properties of LeIF depend both on its mode of delivery (transfection with RNA vs. pulsing with the recombinant protein) and the targeted compartment (extra- vs. intracellular). From this work, it can be summarized that BMDC are well transfectable with a parasite antigen. The antigen is processed and presented, but it is not recognized as a PAMP by DC. Hence, transfection with antigen-encoding mRNA by itself does not convey all necessary signals for the elicitation of a potent immune response.
Microorganisms that colonize the human body face large fluctuations in their surroundings. Therefore, those microbes developed sophisticated mechanisms that allow them to adapt their cell biology and maintain cellular homeostasis. One organelle vital to preserve cell physiology is the vacuole. The vacuole exhibits a wide range of functions and is able to adjust itself in response to both external and internal stimuli. Moreover, it plays an important role in host interaction and virulence in fungi such as Candida albicans. Despite this connection, only a few regulatory proteins have been described to modulate vacuolar biology in fungal pathogens. Furthermore, whether such regulation alters fungus-host interplay remains largely unknown.
This thesis focuses on the characterization of ZCF8, a fungus-specific transcription regulator in the human-associated yeast C. albicans. To this end, I combined genome-wide protein-DNA interaction assays and gene expression analysis that identified genes regulated by Zcf8p. Fluorescence microscopy uncovered that several top targets of Zcf8p localize to the fungal vacuole. Moreover, deletion and overexpression of ZCF8 resulted in alterations in vacuolar morphology and in luminal pH and rendered the fungus resistant or susceptible to a vacuole-disturbing drug. Finally, in vitro adherence assays showed that Zcf8p modulates the attachment of C. albicans to human epithelial cells in a vacuole-dependent manner.
Given those findings, I posit that the previously uncharacterized transcription regulator Zcf8p modulates fungal attachment to epithelial cells in a manner that depends on the status of the fungal vacuole. Furthermore, the results highlight that vacuolar physiology is a substantial factor influencing the physical interaction between Candida cells and mammalian mucosal surfaces.
Protein kinases play central roles in virtually all signaling pathways that enable organisms to adapt to their environment. Microbial pathogens must cope with severely restricted iron availability in mammalian hosts to invade and establish themselves within infected tissues. To uncover protein kinase signaling pathways that are involved in the adaptation of the pathogenic yeast Candida albicans to iron limitation, we generated a comprehensive protein kinase deletion mutant library of a wild-type strain. Screening of this library revealed that the protein kinase Ire1, which has a conserved role in the response of eukaryotic cells to endoplasmic reticulum stress, is essential for growth of C. albicans under iron-limiting conditions. Ire1 was not necessary for the activity of the transcription factor Sef1, which regulates the response of the fungus to iron limitation, and Sef1 target genes that are induced by iron depletion were normally upregulated in ire1Δ mutants. Instead, Ire1 was required for proper localization of the high-affinity iron permease Ftr1 to the cell membrane. Intriguingly, iron limitation did not cause increased endoplasmic reticulum stress, and the transcription factor Hac1, which is activated by Ire1-mediated removal of the non-canonical intron in the HAC1 mRNA, was dispensable for Ftr1 localization to the cell membrane and growth under iron-limiting conditions. Nevertheless, expression of a pre-spliced HAC1 copy in ire1Δ mutants restored Ftr1 localization and rescued the growth defects of the mutants. Both ire1Δ and hac1Δ mutants were avirulent in a mouse model of systemic candidiasis, indicating that an appropriate response to endoplasmic reticulum stress is important for the virulence of C. albicans. However, the specific requirement of Ire1 for the functionality of the high-affinity iron permease Ftr1, a well-established virulence factor, even in the absence of endoplasmic reticulum stress uncovers a novel Hac1-independent essential role of Ire1 in iron acquisition and virulence of C. albicans.
The proteasome of malaria parasites: A multi-stage drug target for chemotherapeutic intervention?
(2012)
The ubiquitin/proteasome system serves as a regulated protein degradation pathway in eukaryotes, and is involved in many cellular processes featuring high protein turnover rates, such as cell cycle control, stress response and signal transduction. In malaria parasites, protein quality control is potentially important because of the high replication rate and the rapid transformations of the parasite during life cycle progression. The proteasome is the core of the degradation pathway, and is a major proteolytic complex responsible for the degradation and recycling of non-functional ubiquitinated proteins. Annotation of the genome for Plasmodium falciparum, the causative agent of malaria tropica, revealed proteins with similarity to human 26S proteasome subunits. In addition, a bacterial ClpQ/hslV threonine peptidase-like protein was identified. In recent years several independent studies indicated an essential function of the parasite proteasome for the liver, blood and transmission stages. In this review, we compile evidence for protein recycling in Plasmodium parasites and discuss the role of the 26S proteasome as a prospective multi-stage target for antimalarial drug discovery programs.
The primary transcriptome of Neisseria meningitidis and its interaction with the RNA chaperone Hfq
(2017)
Neisseria meningitidis is a human commensal that can also cause life-threatening meningitis and septicemia. Despite growing evidence for RNA-based regulation in meningococci, their transcriptome structure and output of regulatory small RNAs (sRNAs) are incompletely understood. Using dRNA-seq, we have mapped at single-nucleotide resolution the primary transcriptome of N. meningitidis strain 8013. Annotation of 1625 transcriptional start sites defines transcription units for most protein-coding genes but also reveals a paucity of classical σ70-type promoters, suggesting the existence of activators that compensate for the lack of −35 consensus sequences in N. meningitidis. The transcriptome maps also reveal 65 candidate sRNAs, a third of which were validated by northern blot analysis. Immunoprecipitation with the RNA chaperone Hfq drafts an unexpectedly large post-transcriptional regulatory network in this organism, comprising 23 sRNAs and hundreds of potential mRNA targets. Based on this data, using a newly developed gfp reporter system we validate an Hfq-dependent mRNA repression of the putative colonization factor PrpB by the two trans-acting sRNAs RcoF1/2. Our genome-wide RNA compendium will allow for a better understanding of meningococcal transcriptome organization and riboregulation with implications for colonization of the human nasopharynx.
Old yellow enzymes (OYEs) are widely found in the bacterial, fungal, and plant kingdoms but absent in humans and have been used as biocatalysts for decades. However, OYEs’ physiological function in bacterial stress response and infection situations remained enigmatic. As a pathogen, the Gram-positive bacterium Staphylococcus aureus adapts to numerous stress conditions during pathogenesis. Here, we show that in S. aureus genome, two paralogous genes (ofrA and ofrB) encode for two OYEs. We conducted a bioinformatic analysis and found that ofrA is conserved among all publicly available representative staphylococcal genomes and some Firmicutes. Expression of ofrA is induced by electrophilic, oxidative, and hypochlorite stress in S. aureus. Furthermore, ofrA contributes to S. aureus survival against reactive electrophilic, oxygen, and chlorine species (RES, ROS, and RCS) via thiol-dependent redox homeostasis. At the host–pathogen interface, S. aureusΔofrA has defective survival in macrophages and whole human blood and decreased staphyloxanthin production. Overall, our results shed the light onto a novel stress response strategy in the important human pathogen S. aureus.
Human herpesvirus 6A (HHV-6A) replicates in peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) and various T-cell lines in vitro. Intriguingly, the virus can also establish latency in these cells, but it remains unknown what influences the decision between lytic replication and the latency of the virus. Incoming virus genomes are confronted with the nuclear domain 10 (ND10) complex as part of an intrinsic antiviral response. Most herpesviruses can efficiently subvert ND10, but its role in HHV-6A infection remains poorly understood. In this study, we investigated if the ND10 complex affects HHV-6A replication and contributes to the silencing of the virus genome during latency. We could demonstrate that ND10 complex was not dissociated upon infection, while the number of ND10 bodies was reduced in lytically infected cells. Virus replication was significantly enhanced upon knock down of the ND10 complex using shRNAs against its major constituents promyelocytic leukemia protein (PML), hDaxx, and Sp100. In addition, we could demonstrate that viral genes are more efficiently silenced in the presence of a functional ND10 complex. Our data thereby provides the first evidence that the cellular ND10 complex plays an important role in suppressing HHV-6A lytic replication and the silencing of the virus genome in latently infected cells.
Malaria is a vector-borne disease caused by the protozoan parasite of the genus Plasmodium and it is transmitted from human to human by female Anopheles mosquitoes during a blood meal. For malaria transmission to occur, the malaria parasite must undergo a crucial developmental sexual phase inside the mosquito midgut. In this study, we sought to investigate the interplay of the malaria parasite in the mosquito midgut with regard to the identification of novel types of transmission blocking intervention strategies. These strategies are aimed at reducing the spread of malaria by blocking the development of the mosquito midgut-specific stages of Plasmodium. We focused on three aspects. The first aspect was to investigate the interplay between mosquito midgut bacteria and malaria parasites in order to determine the potential influence of malaria parasites on the composition of the mosquito gut microbiota and also determine midgut bacteria which could be exploited as vehicles for the generation of paratransgenic Anopheles mosquitoes. We analyzed the microbial diversity of gut bacteria of the Asian malaria vector Anopheles stephensi during development and under different feeding regimes, including feeds on malaria parasite-infected blood, using the human pathogenic P. falciparum as well as the rodent malaria model P. berghei. 16S rRNA and DGGE analyses demonstrated a reduction in the microbial diversity during mosquito development from egg to adult and identified the gram-negative bacterium Elizabethkingia meningoseptica as the dominant species in the midgut of laboratory-reared male and female mosquitoes. E. meningoseptica is transmitted between generations and its predominance in the mosquito midgut was not altered by diet, when the gut microbiota was compared between sugar-fed and blood-fed female mosquitoes. Furthermore, feeds on blood infected with malaria parasites did not impact the presence of E. men-ingoseptica in the gut. Interestingly, extracts from E. meningoseptica exhibited antibacterial, antifungal and antiplasmodial activities, which may account for its dominance in the midgut of the malaria vector. Isolates of E. meningoseptica were cultivable, making the bacterium a potential candidate vehicle for the generation of paratransgenic Anopheles mosquitoes. The second aspect of this thesis was to determine transcriptome changes that occur during the first half hour following transmission of P. falciparum to the mosquito vector in order to better understand gene regulation mechanisms important for the change of hosts and determine novel proteins which could be exploited in malaria transmission blocking interventions. We initially used suppression subtractive hybridization (SSH) to compare mRNA levels of P. falciparum gametocytes before and 30 min fol-lowing activation. We identified a total of 126 genes for which transcript expression changed during gametogenesis. Among these, 17.5% had putative functions in signaling, 14.3% were assigned to cell cycle and gene expression, 8.7% were linked to the cytoskeleton or motor complex, 7.9% were involved in proteostasis and 6.4% in metabolism, 12.7% were genes encoding for cell surface associated proteins, 11.9% were assigned to other functions, and 20.6% represented genes of unknown function. For 40% of the identified genes there has as yet not been any protein evidence. We further selected a subset of 34 genes from all the above ontology groups and analyzed the transcript changes during gametogenesis in detail by quantitative realtime RT-PCR. Of these, 29 genes were expressed in gametocytes, and for 20 genes transcript expres-sion in gametocytes was increased compared to asexual blood stage parasites. Transcript levels of eight genes were particularly high in activated gametocytes, pointing at functions downstream of gametocyte transmission to the mosquito which could be exploited in malaria transmission blocking strategies. The last aspect of this thesis was to determine the transmission blocking effect of a range of antimicrobial molecules as transmission blocking agents. The molecules were either isolated from insect hemolymph or recombinantly expressed in tobacco and designed to act either directly on the mosquito midgut stages or cover receptors on mosquito tissues like the midgut epithelium which the parasite would need for transit. We were able to show an antiplasmodial and transmission blocking effect of the anti-microbial molecule harmonine, a defense compound isolated from the hemolymph of the Asian ladybug Harmonia axyridis. Harmonine thus represents a potential lead structure for the development of novel antimalarials.
FinO-domain proteins are a widespread family of bacterial RNA-binding proteins with regulatory functions. Their target spectrum ranges from a single RNA pair, in the case of plasmid-encoded FinO, to global RNA regulons, as with enterobacterial ProQ. To assess whether the FinO domain itself is intrinsically selective or promiscuous, we determine in vivo targets of Neisseria meningitidis, which consists of solely a FinO domain. UV-CLIP-seq identifies associations with 16 small non-coding sRNAs and 166 mRNAs. Meningococcal ProQ predominantly binds to highly structured regions and generally acts to stabilize its RNA targets. Loss of ProQ alters transcript levels of >250 genes, demonstrating that this minimal ProQ protein impacts gene expression globally. Phenotypic analyses indicate that ProQ promotes oxidative stress resistance and DNA damage repair. We conclude that FinO domain proteins recognize some abundant type of RNA shape and evolve RNA binding selectivity through acquisition of additional regions that constrain target recognition. FinO-domain proteins are bacterial RNA-binding proteins with a wide range of target specificities. Here, the authors employ UV CLIP-seq and show that minimal ProQ protein of Neisseria meningitidis binds to various small non-coding RNAs and mRNAs involved in virulence.
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.
FinO domain proteins such as ProQ of the model pathogen Salmonella enterica have emerged as a new class of major RNA-binding proteins in bacteria. ProQ has been shown to target hundreds of transcripts, including mRNAs from many virulence regions, but its role, if any, in bacterial pathogenesis has not been studied. Here, using a Dual RNA-seq approach to profile ProQ-dependent gene expression changes as Salmonella infects human cells, we reveal dysregulation of bacterial motility, chemotaxis, and virulence genes which is accompanied by altered MAPK (mitogen-activated protein kinase) signaling in the host. Comparison with the other major RNA chaperone in Salmonella, Hfq, reinforces the notion that these two global RNA-binding proteins work in parallel to ensure full virulence. Of newly discovered infection-associated ProQ-bound small noncoding RNAs (sRNAs), we show that the 3′UTR-derived sRNA STnc540 is capable of repressing an infection-induced magnesium transporter mRNA in a ProQ-dependent manner. Together, this comprehensive study uncovers the relevance of ProQ for Salmonella pathogenesis and highlights the importance of RNA-binding proteins in regulating bacterial virulence programs.
IMPORTANCE
The protein ProQ has recently been discovered as the centerpiece of a previously overlooked “third domain” of small RNA-mediated control of gene expression in bacteria. As in vitro work continues to reveal molecular mechanisms, it is also important to understand how ProQ affects the life cycle of bacterial pathogens as these pathogens infect eukaryotic cells. Here, we have determined how ProQ shapes Salmonella virulence and how the activities of this RNA-binding protein compare with those of Hfq, another central protein in RNA-based gene regulation in this and other bacteria. To this end, we apply global transcriptomics of pathogen and host cells during infection. In doing so, we reveal ProQ-dependent transcript changes in key virulence and host immune pathways. Moreover, we differentiate the roles of ProQ from those of Hfq during infection, for both coding and noncoding transcripts, and provide an important resource for those interested in ProQ-dependent small RNAs in enteric bacteria.
Bioluminescent reporter genes, such as those from fireflies and bacteria, let researchers use light production as a non-invasive and non-destructive surrogate measure of microbial numbers in a wide variety of environments. As bioluminescence needs microbial metabolites, tagging microorganisms with luciferases means only live metabolically active cells are detected. Despite the wide use of bioluminescent reporter genes, very little is known about the impact of continuous (also called constitutive) light expression on tagged bacteria. We have previously made a bioluminescent strain of Citrobacter rodentium, a bacterium which infects laboratory mice in a similar way to how enteropathogenic Escherichia coli (EPEC) and enterohaemorrhagic E. coli (EHEC) infect humans. In this study, we compared the growth of the bioluminescent C. rodentium strain ICC180 with its non-bioluminescent parent (strain ICC169) in a wide variety of environments. To understand more about the metabolic burden of expressing light, we also compared the growth profiles of the two strains under approximately 2,000 different conditions. We found that constitutive light expression in ICC180 was near-neutral in almost every non-toxic environment tested. However, we also found that the non-bioluminescent parent strain has a competitive advantage over ICC180 during infection of adult mice, although this was not enough for ICC180 to be completely outcompeted. In conclusion, our data suggest that constitutive light expression is not metabolically costly to C. rodentium and supports the view that bioluminescent versions of microbes can be used as a substitute for their non-bioluminescent parents to study bacterial behaviour in a wide variety of environments.
Staphylococcus aureus is a commensal of the human nose and skin. Human skin fatty acids, in particular cis-6-hexadecenoic acid (C-6-H), have high antistaphylococcal activity and can inhibit virulence determinant production. Here, we show that sub-MIC levels of C-6-H result in induction of increased resistance. The mechanism(s) of C-6-H activity was investigated by combined transcriptome and proteome analyses. Proteome analysis demonstrated a pleiotropic effect of C-6-H on virulence determinant production. In response to C-6-H, transcriptomics revealed altered expression of over 500 genes, involved in many aspects of virulence and cellular physiology. The expression of toxins (hla, hlb, hlgBC) was reduced, whereas that of host defence evasion components (cap, sspAB, katA) was increased. In particular, members of the SaeRS regulon had highly reduced expression, and the use of specific mutants revealed that the effect on toxin production is likely mediated via SaeRS
The widespread CsrA/RsmA protein regulators repress translation by binding GGA motifs in bacterial mRNAs. CsrA activity is primarily controlled through sequestration by multiple small regulatory RNAs. Here we investigate CsrA activity control in the absence of antagonizing small RNAs by examining the CsrA regulon in the human pathogen Campylobacter jejuni. We use genome-wide co-immunoprecipitation combined with RNA sequencing to show that CsrA primarily binds flagellar mRNAs and identify the major flagellin mRNA (flaA) as the main CsrA target. The flaA mRNA is translationally repressed by CsrA, but it can also titrate CsrA activity. Together with the main C. jejuni CsrA antagonist, the FliW protein, flaA mRNA controls CsrA-mediated post-transcriptional regulation of other flagellar genes. RNA-FISH reveals that flaA mRNA is expressed and localized at the poles of elongating cells. Polar flaA mRNA localization is translation dependent and is post-transcriptionally regulated by the CsrA-FliW network. Overall, our results suggest a role for CsrA-FliW in spatiotemporal control of flagella assembly and localization of a dual-function mRNA.
The tropical disease malaria, which results in more than one million deaths annually, is caused by protozoan parasites of the genus Plasmodium and transmitted by blood-feeding Anopheline mosquitoes. Parasite transition from the human host to the mosquito vector is mediated by gametocytes, sexual stages that are formed in human erythrocytes, which therefore play a crucial part in the spread of the tropical disease. The uptake by the blood-feeding mosquito triggers important molecular and cellular changes in the gametocytes, thus mediating the rapid adjustment of the parasite from the warm-blooded host to the insect host and subsequently initiating reproduction. The contact with midgut factors triggers gametocyte activation and results in their egress from the enveloping erythrocyte, which then leads to gamete formation and fertilization. This review summarizes recent findings on the role of gametocytes during transmission to themosquito and particularly focuses on the molecular mechanisms underlying gametocyte activation and emergence from the host erythrocyte during gametogenesis.
Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeat (CRISPR) loci are found in bacterial and archaeal genomes where they provide the molecular machinery for acquisition of immunity against foreign DNA. In addition to the cas genes fundamentally required for CRISPR activity, a second class of genes is associated with the CRISPR loci, of which many have no reported function in CRISPR-mediated immunity. Here, we characterize MM_0565 associated to the type I-B CRISPR-locus of Methanosarcina mazei Gö1. We show that purified MM_0565 composed of a CRISPR-Cas Associated Rossmann Fold (CARF) and a winged helix-turn-helix domain forms a dimer in solution; in vivo, the dimeric MM_0565 is strongly stabilized under high salt stress. While direct effects on CRISPR-Cas transcription were not detected by genetic approaches, specific binding of MM_0565 to the leader region of both CRISPR-Cas systems was observed by microscale thermophoresis and electromobility shift assays. Moreover, overexpression of MM_0565 strongly induced transcription of the cas1-solo gene located in the recently reported casposon, the gene product of which shows high similarity to classical Cas1 proteins. Based on our findings, and taking the absence of the expressed CRISPR locus-encoded Cas1 protein into account, we hypothesize that MM_0565 might modulate the activity of the CRISPR systems on different levels.
Background: Invasion of intestinal epithelial cells by Salmonella enterica serovar Typhimurium (S. Typhimurium) requires expression of the extracellular virulence gene expression programme (STEX), activation of which is dependent on the signalling molecule guanosine tetraphosphate (ppGpp). Recently, next-generation transcriptomics (RNA-seq) has revealed the unexpected complexity of bacterial transcriptomes and in this report we use differential RNA sequencing (dRNA-seq) to define the high-resolution transcriptomic architecture of wildtype S. Typhimurium and a ppGpp null strain under growth conditions which model STEX. In doing so we show that ppGpp plays a much wider role in regulating the S. Typhimurium STEX primary transcriptome than previously recognised.
Results: Here we report the precise mapping of transcriptional start sites (TSSs) for 78% of the S. Typhimurium open reading frames (ORFs). The TSS mapping enabled a genome-wide promoter analysis resulting in the prediction of 169 alternative sigma factor binding sites, and the prediction of the structure of 625 operons. We also report the discovery of 55 new candidate small RNAs (sRNAs) and 302 candidate antisense RNAs (asRNAs). We discovered 32 ppGpp-dependent alternative TSSs and determined the extent and level of ppGpp-dependent coding and non-coding transcription. We found that 34% and 20% of coding and non-coding RNA transcription respectively was ppGpp-dependent under these growth conditions, adding a further dimension to the role of this remarkable small regulatory molecule in enabling rapid adaptation to the infective environment.
Conclusions: The transcriptional architecture of S. Typhimurium and finer definition of the key role ppGpp plays in regulating Salmonella coding and non-coding transcription should promote the understanding of gene regulation in this important food borne pathogen and act as a resource for future research.
Background: CEACAM3 is a granulocyte receptor mediating the opsonin-independent recognition and phagocytosis of human-restricted CEACAM-binding bacteria. CEACAM3 function depends on an intracellular immunoreceptor tyrosine-based activation motif (ITAM)-like sequence that is tyrosine phosphorylated by Src family kinases upon receptor engagement. The phosphorylated ITAM-like sequence triggers GTP-loading of Rac by directly associating with the guanine nucleotide exchange factor (GEF) Vav. Rac stimulation in turn is critical for actin cytoskeleton rearrangements that generate lamellipodial protrusions and lead to bacterial uptake.
Principal Findings: In our present study we provide biochemical and microscopic evidence that the adaptor proteins Nck1 and Nck2, but not CrkL, Grb2 or SLP-76, bind to tyrosine phosphorylated CEACAM3. The association is phosphorylation-dependent and requires the Nck SH2 domain. Overexpression of the isolated Nck1 SH2 domain, RNAi-mediated knock-down of Nck1, or genetic deletion of Nck1 and Nck2 interfere with CEACAM3-mediated bacterial internalization and with the formation of lamellipodial protrusions. Nck is constitutively associated with WAVE2 and directs the actin nucleation promoting WAVE complex to tyrosine phosphorylated CEACAM3. In turn, dominant-negative WAVE2 as well as shRNA-mediated knock-down of WAVE2 or the WAVE-complex component Nap1 reduce internalization of bacteria.
Conclusions: Our results provide novel mechanistic insight into CEACAM3-initiated phagocytosis. We suggest that the CEACAM3 ITAM-like sequence is optimized to co-ordinate a minimal set of cellular factors needed to efficiently trigger actin-based lamellipodial protrusions and rapid pathogen engulfment.
Energy conservation via organohalide respiration (OHR) in dehalogenating Sulfurospirillum species is an inducible process. However, the gene products involved in tetrachloroethene (PCE) sensing and signal transduction have not been unambiguously identified. Here, genome sequencing of Sulfurospirillum strains defective in PCE respiration and comparative genomics, which included the PCE‐respiring representatives of the genus, uncovered the genetic inactivation of a two‐component system (TCS) in the OHR gene region of the natural mutants. The assumption that the TCS gene products serve as a PCE sensor that initiates gene transcription was supported by the constitutive low‐level expression of the TCS operon in fumarate‐adapted cells of Sulfurospirillum multivorans. Via RNA sequencing, eight transcriptional units were identified in the OHR gene region, which includes the TCS operon, the PCE reductive dehalogenase operon, the gene cluster for norcobamide biosynthesis, and putative accessory genes with unknown functions. The OmpR‐family response regulator (RR) encoded in the TCS operon was functionally characterized by promoter‐binding assays. The RR bound a cis‐regulatory element that contained a consensus sequence of a direct repeat (CTATW) separated by 17 bp. Its location either overlapping the −35 box or 50 bp further upstream indicated different regulatory mechanisms. Sequence variations in the regulator binding sites identified in the OHR gene region were in accordance with differences in the transcript levels of the respective gene clusters forming the PCE regulon. The results indicate the presence of a fine‐tuned regulatory network controlling PCE metabolism in dehalogenating Sulfurospirillum species, a group of metabolically versatile organohalide‐respiring bacteria.
Legionel/a pneumophila, the causative agent of Legionnaires' disease, was analysed by electron microscopy for production of surface structures. Crystalline surface (S-) layers and fimbriae were not detected, but monotrichous flagellation was seen. Polyclonal antibodies specific for the 47 kDa ftagellin subunit of L. pneumophila Philadelphia I were used in Western blots to confirm the presence of flagella subunits in various L. pneumophila strains tested, but the antiserumalso reacted with flagellin subunits of L. micdlulei, L. hackelia (serogroup (SG) l and SG21 and L./ongbetichae (SG2). Flagellation of Legionellae was shown to be temperature regulated. When the growth temperature of virulent and avirulent variants of strain L. pneumophila Philadelphia I was shifted from 30 oc to either 37 or 41 oc, a decrease in the percentage offtagellated bacteria within the populationwas observed.
Although the DNA methyltransferase 2 family is highly conserved during evolution and recent reports suggested a dual specificity with stronger activity on transfer RNA (tRNA) than DNA substrates, the biological function is still obscure. We show that the Dictyostelium discoideum Dnmt2-homologue DnmA is an active tRNA methyltransferase that modifies C38 in \(tRNA^{Asp(GUC)}\) in vitro and in vivo. By an ultraviolet-crosslinking and immunoprecipitation approach, we identified further DnmA targets. This revealed specific tRNA fragments bound by the enzyme and identified \(tRNA^{Glu(CUC/UUC)}\) and \(tRNA^{Gly(GCC)}\) as new but weaker substrates for both human Dnmt2 and DnmA in vitro but apparently not in vivo. Dnmt2 enzymes form transient covalent complexes with their substrates. The dynamics of complex formation and complex resolution reflect methylation efficiency in vitro. Quantitative PCR analyses revealed alterations in dnmA expression during development, cell cycle and in response to temperature stress. However, dnmA expression only partially correlated with tRNA methylation in vivo. Strikingly, dnmA expression in the laboratory strain AX2 was significantly lower than in the NC4 parent strain. As expression levels and binding of DnmA to a target in vivo are apparently not necessarily accompanied by methylation, we propose an additional biological function of DnmA apart from methylation.
The major macromolecule on the surface o/Leishmania majorpromastigotes is a lipophosphoglycan (LPG). This glycoconjugate plays a key role in determining infectivity and survival of para-sites in the mammalian host cell. In addition, L. major LPG is able to induce a host-protective immune response. In this article, we summarise the evidence for recognition of highly purified LPG by T cells and we discuss the potential mechanisms of T-cell Stimulation by this non-protein antigen.
Abstract
In the murine model of Leishmania major infection, resistance or susceptibility to the parasite has been associated with the development of a Th1 or Th2 type of immune response. Recently, however, the immunosuppressive effects of IL-10 have been ascribed a crucial role in the development of the different clinical correlates of Leishmania infection in humans. Since T cells and professional APC are important cellular sources of IL-10, we compared leishmaniasis disease progression in T cell-specific, macrophage/neutrophil-specific and complete IL-10-deficient C57BL/6 as well as T cell-specific and complete IL-10-deficient BALB/c mice. As early as two weeks after infection of these mice with L. major, T cell-specific and complete IL-10-deficient animals showed significantly increased lesion development accompanied by a markedly elevated secretion of IFN-γ or IFN-γ and IL-4 in the lymph nodes draining the lesions of the C57BL/6 or BALB/c mutants, respectively. In contrast, macrophage/neutrophil-specific IL-10-deficient C57BL/6 mice did not show any altered phenotype. During the further course of disease, the T cell-specific as well as the complete IL-10-deficient BALB/c mice were able to control the infection. Furthermore, a dendritic cell-based vaccination against leishmaniasis efficiently suppresses the early secretion of IL-10, thus contributing to the control of parasite spread. Taken together, IL-10 secretion by T cells has an influence on immune activation early after infection and is sufficient to render BALB/c mice susceptible to an uncontrolled Leishmania major infection.
Author Summary
The clinical symptoms caused by infections with Leishmania parasites range from self-healing cutaneous to uncontrolled visceral disease and depend not only on the parasite species but also on the type of the host's immune response. It is estimated that 350 million people worldwide are at risk, with a global incidence of 1–1.5 million cases of cutaneous and 500,000 cases of visceral leishmaniasis. Murine leishmaniasis is the best-characterized model to elucidate the mechanisms underlying resistance or susceptibility to Leishmania major parasites in vivo. Using T cell-specific and macrophage-specific mutant mice, we demonstrate that abrogating the secretion of the immunosuppressive cytokine IL-10 by T cells is sufficient to render otherwise susceptible mice resistant to an infection with the pathogen. The healing phenotype is accompanied by an elevated specific inflammatory immune response very early after infection. We further show that dendritic cell-based vaccination against leishmaniasis suppresses the early secretion of IL-10 following challenge infection. Thus, our study unravels a molecular mechanism critical for host immune defense, aiding in the development of an effective vaccine against leishmaniasis.
In this study, the role of histone-like proteins in gene regulation in uropathogenic Escherichia coli isolate 536 was monitored. The histone-like nucleoid structuring protein H-NS is a global regulator in Escherichia coli that has been intensively studied in non-pathogenic strains. No comprehensive study on the role of H-NS and it’s homolog StpA on gene expression in a pathogenic E. coli strain has been carried out so far. Moreover, we identified a third, so far uncharacterized member of the H-NS-like protein family in uropathogenic E. coli isolate 536, which was designated Hlp (H-NS-like protein). Hlp is a 134-amino acid protein, which shares 58 % sequence identity with H-NS. The gene coding for the Hlp protein, hlp, is found in several uropathogenic E. coli variants, but not in non-pathogenic E. coli K-12. In UPEC strains 536 and CFT073, Hlp is encoded on a possibly horizontally acquired 23-kb genomic region inserted into the serU locus. Studies on hlp transcription revealed, that the gene is transcribed monocistronically from a single promoter and that expression is repressed by H-NS. Purified Hlp protein was binding to its own and to the hns promoter, thereby mediating negative auto- and crossregulation. Furthermore, Hlp and H-NS were directly interacting, resulting in the formation of stable heteromers. Complementation studies with hns mutant strains in a K-12 background revealed that the Hlp protein had in vivo activity, being able to complement the lack of H-NS in terms of motility, growth, and repression of the proU, bgl, and clyA genes. When analyzing the role of the histone-like proteins in expression of virulence-associated genes by using DNA arrays and classical phenotypic assays, most of the observed effects were mediated by the H-NS protein alone. Expression profiling revealed that transcript level of more than 500 genes was affected by an hns mutation, resulting in increased expression of alpha-hemolysin, fimbriae and iron-uptake systems, as well as genes involved in stress adaptation. Furthermore, several other putative virulence factors were found to be part of the H-NS regulon. On the other hand, no effect of StpA alone was observed. An hns stpA double mutant, however, exhibited a distinct gene expression pattern that differed in great parts from that of the hns single mutant. This suggests a direct interaction between the two homologs and the existence of distinct regulons of H-NS and an H-NS/StpA heteromeric complex. Although the H-NS protein has – either as homomer or in complex with StpA – a marked impact on gene expression in pathogenic E. coli strains, its effect on urovirulence is ambiguous. At a high infection dose, hns mutants accelerate lethality in murine UTI and sepsis models relative to the wild type, probably due to increased production of alpha-hemolysin. At lower infectious dose, however, mutants lacking H-NS are attenuated through their impaired growth rate, which can only partially be compensated by the higher expression of numerous virulence factors. As seen with StpA, an hlp single mutant did not exhibit a notable phenotype under standard growth conditions. A severe growth defect of hns hlp double mutants at low temperatures, however, suggests a biological relevance of H-NS/Hlp heteromers under certain circumstances. Furthermore, these mutants expressed more capsular polysaccharide and curli fimbriae, thereby indicating a distinct role of H-NS and Hlp in regulation of these surface structures. The H-NS paralogs Hlp and StpA also modulated H-NS-mediated regulation of fimbrial adhesins, and are oppositely required for normal growth at low or high temperatures, respectively. Finally, expression levels of the three histone-like proteins H-NS, StpA and Hlp itself varied with different temperatures, thereby suggesting a flexible composition of the nucleoid-associated protein pool. Hence, we propose that the biological role of Hlp and StpA does not rely on a distinct function of the single protein, but rather on their interaction with the global regulator H-NS.
The establishment of genomic approaches including the sequence determination of complete bacterial genomes started a new era in microbiological research. Since then more than two hundred prokaryotic and eukaryotic genomes have been completely sequenced, and there are additional complete genome projects including different bacterial species and strains in progress (http://www.tigr.org, http://www.sanger.ac.uk). The continously growing amount of bacterial DNA sequence information gives us also the possibility to gain deeper insight into bacterial pathogenesis. With the help of comparative genomics, microbiological research can focus on those DNA sequences that are present in pathogenic bacteria but are absent in non-pathogenic strains. With this knowledge and with the help of molecular biological methods such as PCR,DNA-chip technology, subtractive hybridisation, transcriptomics and proteomics we can analyse in detail what makes a particular bacterial strain pathogenic. This knowledge also gives us the possibility to develop new vaccines, therapeutic approaches or diagnostic tools. The aim of this work was the structural and functional analysis of DNA regions of uropathogenic Escherichia coli strain 536 that belong to the flexible E. coli gene pool. The first part of this thesis focused on the identification and structural characterisation of pathogenicity island V of strain 536 (PAI V536). PAI V536 is integrated at the pheV tRNA gene at 64 minutes of the E. coli K-12 chromosome. In addition to the intact pheV tRNA gene, a truncated copy ('pheV) that represents the last 22 bp of this gene’s 3'-end was identified 49 kb downstream of pheV on PAI V536. The analysis of the DNA sequence flanked by pheV and 'pheV revealed characteristics that are typical of PAIs. This DNA region exhibits homology to IS-elements and prophages and also comprises determinants coding for the Pix fimbriae, a phosphoglycerate transport system, an autotransporter, as well as for hypothetical proteins. Downstream of 'pheV, the K15 capsule determinant (kpsK15) of this strain is located. Structural analysis of the 20-kb kpsK15 locus revealed a so far unknown genetic organisation indicative of recombination events between a group 2 and group 3 capsule gene cluster. Downstream of the capsule determinant, the genes encoding a type II secretion system (general secretion pathway -GSP) are located on PAI V536. The K15 capsule locus was functionally characterized. Specific inactivation of each of the regions 1 to 3 of the kpsK15 gene cluster, and the use of a K15 capsule-specific antiserum demonstrated that this determinant is the functional K15 capsule locus of strain 536. It has been shown in an experimental murine model of ascending urinary tract infection with suckling mice that the K15 capsule contributes to urovirulence. Interestingly, the K15 capsule is not involved in serum resistance of strain 536. Inactivation of the PAI V536-encoded type II secretion system excluded a role of this general secretion pathway for capsule biosynthesis and virulence of strain 536 in the murine ascending urinary tract infection model. In the second part of the thesis, the transferability of PAIs was further investigated. Using PAI II536 as a model, mobilisation of this island from strain 536 into suitable recipient strains was investigated. For this purpose, an antibiotic resistance cassette, the R6K origin of replication as well as plasmid pGP704 carrying the mobilisation region of plasmid RP4 have been inserted into PAI II536. Transformation with the helper plasmid RP4, resulted a derivative of strain 536 that was used as a donor for conjugation experiments, while for recipient the pir + laboratory strain SY327 was used. After deletion the circularised PAI II536 was mobilised with the help of the conjugative helper plasmid (RP4) into the recipient laboratory strain SY327. The frequency of this event was about 10-8. It was also demonstrated that in the transconjugant strains the mobilized PAI II536 could be permanently present as a circular form and also can be integrated into the chromosome at the same chromosomal insertion site (leuX) as in the donor strain 536. Furthermore, after mobilisation and chromosomal integration of PAI II536 it was possible to remobilise this PAI back to a PAI II536-negative derivative of strain 536. The results obtained in this thesis increase our knowledge of the structure and function of a pathogenicity island of uropathogenic E. coli strain 536 and shed some light on the mechanisms contributing to genome plasticity and evolution of pathogenic E. coli variants.
Studien zur Verbreitung und genetischen Struktur des Colibactin-Genclusters in Enterobacteriaceae
(2009)
Horizontaler Gentransfer zwischen Bakterien – sogar zwischen verschiedenen Spezies – ist ein wichtiger Mechanismus für den Austausch genetischer Information. Dies kann dem Rezipienten einen selektiven Vorteil verleihen, z. B. durch die schnelle Aneignung von Genclustern, die für Pathogenitäts- oder Fitnessfaktoren kodieren. Die Variabilität bakterieller Genome durch Aneignung und Inkorporation genetischen Materials in das Genom trägt somit erheblich zur Evolution von Bakterien bei. Bakterielle Genome neigen allerdings dazu, nutzlose genetische Information zu verlieren und daher kann horizontal erworbener DNA häufig eine distinkte biologische Funktion zugeordnet werden. Das Colibactin-Gencluster, welches zuerst in Escherichia coli gefunden wurde, weist mehrere Charakteristika einer horizontal erworbenen genomischen Insel auf. Die Größe dieser genomischen Insel beträgt 54 kb und sie umfasst 20 offene Leseraster (ORFs), von denen acht für putative Polyketidsynthasen (PKS), nichtribosomale Peptidsynthasen (NRPS) und Hybride dieser kodieren. Colibactin übt einen zytopathischen Effekt (CPE) auf eukaryotische Zellen in vitro aus. Nach Kokultivierung Colibactin-Gencluster-positiven Bakterien mit eukaryotischen Zellen kommt es zu DNA Doppelstrang Brüchen, Zellzyklus-Arrest in der G2-Phase, Megalozytose und schließlich zum Zelltod. Diese Effekte sind mit denen des Zyklomodulins „Cytolethal Distending Toxin“ (CDT) vergleichbar, allerdings konnte die biologische Funktion des Colibactins in vivo bisher nicht aufgeklärt werden. Das Colibactin-Gencluster wurde bisher nur in Escherichia coli Stämmen der phylogenetischen Gruppe B2 als individuelle genomische Insel, integriert im tRNA-asnW-Gen, vorgefunden. Im Rahmen dieser Arbeit konnte das Colibactin-Gencluster auch in E. coli der phylogenetischen Gruppe B1 und in Citrobacter koseri, Enterobacter aerogenes und Klebsiella pneumoniae subsp. pneumoniae nachgewiesen werden. In diesen Bakterienstämmen ist das Colibactin-Gencluster Teil eines genetischen Elements, das Ähnlichkeit zu integrativen und konjugativen Elementen (ICE) aus E. coli und K. pneumoniae aufweist. Im Gegensatz zur hochkonservierten Integrationsstelle des Colibactin-Genclusters in tRNA-asnW in E. coli der phylogenetischen Gruppe B2 konnte die Integrationsstelle dieses ICE in E. coli der Gruppe B1 in tRNA-asnU bestimmt werden. In Bakterienstämmen der Spezies K. pneumoniae subsp. pneumoniae wurden vier verschiedene Integrationsstellen in fünf analysierten Stämmen identifiziert. Neben der Studien zur Verbreitung und chromosomalen Integration des Colibactin-Genclusters wurden Kolonisierungsstudien im murinen streptomycinbehandelten Intestinaltrakt mit E. coli Stamm Nissle 1917 durchgeführt, um eine mögliche Funktion des Colibactins im Darmtrakt näher zu untersuchen. Weder in nicht-kompetitiven noch in kompetitiven Versuchsdurchführungen konnte dabei ein Kolonisierungsvorteil durch Colibactin nachgewiesen werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit haben gezeigt, dass das Colibactin-Gencluster in verschiedenen Spezies der Enterobacteriaceae vorhanden und funktional ist. Das Auftreten dieses sowohl als individuelle genomische Insel als auch als Teil eines ICE veranschaulicht die genetische Plastizität dieses Elements und die Bedeutung des horizontalen Transfers genetischen Materials. Die biologische Funktion des Colibactins in vivo bleibt weiterhin unklar und könnte sowohl die bakterielle Fitness als auch die Virulenz beeinflussen.
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.
Die Forschungsergebnisse der letzten Jahre liefern immer mehr Hinweise darauf, dass eine klare Unterscheidung von Fitness- und Virulenzfaktoren in vielen Fällen, insbesondere bei extraintestinal pathogenen Escherichia coli, nicht möglich ist. So lässt sich auch bei Harnwegsinfektionen verursachenden E. coli den bakteriellen und teils stammspezifischen Faktoren oftmals nicht eindeutig eine typische Virulenz- oder Fitness-assoziierte Funktion zuordnen. Zudem werden in neueren Studien immer häufiger atypische uropathogene Isolate von E. coli beschrieben, die in ihrem „Virulenzrepertoire“ deutlich von typischen uropathogenen E. coli (UPEC) abweichen, da sie keine klassischen UPEC-Virulenzfaktoren aufweisen. In dieser Arbeit wurden daher Virulenzeigenschaften typischer als auch atypischer UPEC untersucht.
Der Effekt eines bestimmten bakteriellen Faktors auf den Wirtsorganismus wird teilweise indirekt durch sekundäre Modifikation bedingt. Dies offenbart sich beispielsweise am Autotransporterprotein AIDA-I, dessen Konformation durch posttranslationale Glykosylierung stabilisiert wird, wodurch es seine Funktionalität als Adhäsin erhält. Da bisherige Studien zum AIDA-I homologen Autotransporterprotein Antigen 43 (Ag43) auf der Analyse von künstlich glykosyliertem Protein basieren, lag ein Schwerpunkt dieser Arbeit auf der Untersuchung der natürlichen Glykosylierung von Ag43 in UPEC Stamm 536. Es zeigte sich, dass beide Ag43-Varianten von E. coli Stamm 536 natürlicherweise glykosyliert vorliegen, der Grad der Glykosylierung jedoch wesentlich geringer ausfällt als bei natürlich glykosyliertem AIDA-I. Inwieweit die natürliche Glykosylierung von Ag43 zu dessen Funktionalität beiträgt, kann erst durch die Identifizierung der für die Ag43-Glykosylierung verantwortlichen Glykosyltransferase geklärt werden.
Die in silico-Analyse des Genoms von UPEC Stamm 536 für potentielle Glykosyltransferasen von Ag43 lieferte neun Kandidatengene. Die Gene wurde teils im Wildtyp-Hintergrund, teils im rfaH-negativen Hintergrund von E. coli Stamm 536 deletiert und die Mutanten im Anschluss phänotypisch charakterisiert. Die Deletion der Kandidatengene waaF, waaG und waaQ, die für Glykosyltransferasen des LPS-Biosynthesesystems kodieren, führte zu den deutlichsten Unterschieden in Bezug auf Motilität, Curli/Zellulose-Produktion, Hämolyseaktivität und Expression von Typ 1 Fimbrien. Der Einfluss des „knock-out“ der Kandidatengene auf die Glykosylierung von Ag43 muss in weiterführenden Studien untersucht werden.
Zur Charakterisierung des uropathogenen Virulenzpotentials verschiedener E. coli Stämme in vivo hat sich in den letzten Jahren das murine Modell der aufsteigenden Harnwegsinfektion etabliert. Mit Hilfe dieses Modells wurden in der vorliegenden Arbeit sowohl spezifische Deletionsmutanten prototypischer UPEC als auch atypische E. coli Harnwegsisolate bezüglich ihrer Urovirulenz getestet und verglichen. Bei der Untersuchung der klassischen UPEC lag der Fokus auf der möglichen Urovirulenzmodulation durch die folgenden spezifischen Faktoren: dem Autotransporterprotein Ag43, dem „Response regulator“ UvrY, dem Polyketid Colibactin sowie dem Exopolysaccharid poly-β-1,6-N-Acetylglucosamin (PGA). Für Ag43 war bei der Etablierung einer Harnwegsinfektion keine eindeutige Funktion feststellbar. Es ist jedoch denkbar, dass Ag43 zur Langzeitpersistenz im Harnwegstrakt beitragen kann, was in weiteren Studien belegt werden sollte. Die Expression von UvrY in der natürlichen uvrY-Deletionsmutante UPEC Stamm 536 ließ keine Erhöhung des Urovirulenzpotentials im Mausmodell erkennen. In diesem Zusammenhang konnte allerdings gezeigt werden, dass die Expression des Genotoxins Colibactin in UPEC Stamm 536 dessen Virulenz signifikant herabsetzte. Die Untersuchungen zur Relevanz des Exopolysaccharids PGA belegen deutlich, dass PGA für die Langzeitpersistenz von E. coli im murinen Harnwegstrakt benötigt wird. Für die initiale Kolonisierung scheint PGA hingegen keine Bedeutung zu haben. Für atypische UPEC Isolate, die Charakteristika von STEC und EAEC zeigen und sich in ihrem Virulenzmuster deutlich von prototypischen UPEC unterscheiden, ließ sich im murinen Modell der aufsteigenden Harnwegsinfektion, verglichen mit dem UPEC Modellorganismus 536, ein ähnliches, teils sogar erhöhtes uropathogenes Virulenzpotential nachweisen.
Die Ergebnisse der Arbeit untermauern somit die heutige Vorstellung bezüglich der Entwicklung und Etablierung einer Harnwegsinfektion, dass verschiedene E. coli Stämme unterschiedliche (Kontroll-) Mechanismen entwickelt haben, um erfolgreich den Harnwegstrakt kolonisieren und eine Infektion auslösen zu können. Zudem weisen sie darauf hin, dass diese Fähigkeit nicht auf Isolate typischer phylogenetischer UPEC Entwicklungslinien beschränkt und auf das Vorhandensein charakteristischer UPEC Virulenzfaktoren angewiesen ist.
Escherichia coli Nissle 1917 (EcN) gehört zu den am besten untersuchten und charakterisierten probiotischen Bakterienstämmen. Seit Beginn des letzten Jahrhunderts wird er als Medikament eingesetzt, um verschiedene Darmerkrankungen wie z.B. Diarrhöe, entzündliche Darmerkrankungen und Verstopfung zu behandeln. Die Flagelle des EcN vermittelt Beweglichkeit und kann die Produktion von humanem β-Defensin 2 (hBD2) durch Epithelzellen induzieren. Somit ist dieses Organell direkt in die probiotische Funktion des EcN involviert. Es konnte gezeigt werden, dass die Flagellen anderer Bakterien, wie z.B. dem probiotischen Stamm Bacillus cereus CH oder den pathogenen Stämmen Pseudomonas aeruginosa und Clostridium difficile, die Adhäsion an intestinalen Mucus, welcher von Epithelzellen sekretiert wird, vermitteln. Allerdings blieb unklar, welcher Teil der Flagelle an welche Mucuskomponente bindet. Die Fähigkeit effizient an Wirtgewebe zu adhärieren wird als wichtiges Attribut eines probiotischen Stammes angesehen. Ex vivo Adhäsionsstudien mit Kryoschnitten humaner Darmbiopsien haben gezeigt, dass die Flagelle des EcN in die effiziente Adhäsion an humanes Darmgewebe involviert sein muss. Aus diesem Grund wurde in dieser Arbeit die Funktion der Flagelle des EcN als Adhäsin untersucht. Zunächst wurde die hyperflagellierte Variante EcN ATHF isoliert und durch verschiedene Experimente, z.B. Schwärmagartests und Elektronenmikroskopie, charakterisiert. Weitere ex vivo Adhäsionsstudien mit EcN ATHF zeigten eine höhere Adhäsionseffizienz dieser hyperflagellierten Variante und bestätigten damit die Rolle der Flagelle bei der effizienten Adhäsion von EcN an die Kryoschnitte der humanen Darmbiopsien. Interessanterweise fungierte die Flagelle in in vitro Studien mit den humanen Epithelzellen Caco-2 und T24 nicht als Adhäsin. Diese Unterschiede zwischen den in vitro und ex vivo Studien führten zu der Annahme, dass die Flagelle des EcN in vivo die Adhäsion an Mucus vermittelt, welcher von den Caco-2- und T24-Zellen nicht produziert wird, aber in den Kryoschnitten der Darmbiopsien nachgewiesen wurde. Diese Vermutung wurde durch in vitro Adhäsionsstudien mit der Mucin-produzierenden Epithelzelllinie LS174-T bestätigt, da die Flagellen für eine effektive Adhäsion an diese Zellen essentiell waren. Zudem reduzierte die Präinkubation flagellierter EcN-Stämme mit Mucin2 ihre Adhäsionseffizienz an Kryoschnitte humaner Darmbiopsien. Um die direkte Interaktion zwischen Flagellen des EcN Wildtyps und Mucus zu zeigen, wurde ein ELISA etabliert. Es konnte eine direkte konzentrationsabhängige Interaktion zwischen isolierten Flagellen des EcN Wildtyps und Mucin2, bzw. humanem Mucus (Kolon) beobachtet werden. Interessanterweise konnte keine Interaktion zwischen isolierten Flagellen des EcN Wildtyps und murinem Mucus (Duodenum, Ileum, Caecum, Colon) festgestellt werden. Dies weist darauf hin, dass die Mucuszusammensetzung zwischen verschiedenen Spezies variiert. Verschiedene Kohlenhydrate, welche bekannte Mucusbestandteile sind, wurden auf ihre Interaktion mit der Flagelle von EcN getestet und Gluconat wurde als ein Rezeptor identifiziert. Die Präinkubation isolierter Flagellen mit Gluconat reduzierte ihre Interaktion mit Mucin2, bzw. humanem Mucus signifikant. Zudem wurde die oberflächenexponierte Domäne D3 des Flagellins, der Hauptuntereinheit der Flagelle, als möglicher Interaktionspartner von Mucin2, bzw. humanem Mucus ausgeschlossen. Flagellen, die aus einer Domäne D3 Deletionsmutante isoliert wurden, zeigten sogar eine effizientere Bindung an Mucin2, bzw. humanen Mucus. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass Änderungen des pH-Wertes signifikante Effekte auf die Interaktion zwischen Mucus und isolierten Flagellen hatten, vermutlich aufgrund von Konformationsänderungen. Zusammenfassend wurde in dieser Arbeit die Flagelle als neues und scheinbar wichtigstes Adhäsin in vivo für den probiotischen Stamm EcN identifiziert. Hierfür wurden sowohl eine hyperflagellierte Variante, eine ΔfliC Mutante, sowie der dazugehörige komplementierte Stamm verwendet. EcN ist zudem der erste probiotische Stamm für den eine direkte Bindung der Flagellen an humanen Mucus nachgewiesen werden konnte. Die Mucuskomponente Gluconat konnte dabei als wichtiger Rezeptor identifiziert werden. Da einige pathogene Bakterien ihre Flagelle zur Adhäsion an Wirtsgewebe nutzen, könnte dieses Organell EcN dazu befähigen, mit Pathogenen um die erfolgreiche Kolonisierung des Darms zu konkurrieren, was als wichtige Eigenschaft eines Probiotikums betrachtet wird.
Effective treatment of infections caused by the bacterium Staphylococcus aureus remains a worldwide challenge, in part due to the constant emergence of new strains that are resistant to antibiotics. The serine/threonine kinase PknB is of particular relevance to the life cycle of S. aureus as it is involved in the regulation of purine biosynthesis, autolysis, and other central metabolic processes of the bacterium. We have determined the crystal structure of the kinase domain of PknB in complex with a non-hydrolyzable analog of the substrate ATP at 3.0 angstrom resolution. Although the purified PknB kinase is active in solution, it crystallized in an inactive, autoinhibited state. Comparison with other bacterial kinases provides insights into the determinants of catalysis, interactions of PknB with ligands, and the pathway of activation.
Neisseria meningitidis is a commensal bacterium which sometimes causes serious disease in humans. Recent studies in numerous human pathogenic bacteria have shown that the stringent response contributes to bacterial virulence. Therefore, this study analyzed the regulation of the stringent response in meningococci and in particular of RelA as well as its contribution to ex vivo fitness in a strain- and condition- dependent manner by using the carriage strain α522 and the hyperinvasive strain MC58 in different in vitro and ex vivo conditions.
Growth experiments revealed that both wild-type strains were almost indistinguishable in their ex vivo phenotypes. However, quantitative real time PCR (qRT-PCR) found differences in the gene expression of relA between both strains. Furthermore, in contrast to the MC58 RelA mutant strain α522 deficient in RelA was unable to survive in human whole blood, although both strains showed the same ex vivo phenotypes in saliva and cerebrospinal fluid. Moreover, strain α522 was depended on a short non-coding AT-rich repeat element (ATRrelA) in the promoter region of relA to survive in human blood. Furthermore, cell culture experiments with human epithelial cells revealed that in both strains the deletion of relA resulted in a significantly decreased invasion rate while not significantly affecting adhesion. In order to better understand the conditional lethality of the relA deletion, computational and experimental analyses were carried out to unravel differences in amino acid biosynthetic pathways between both strains. Whereas strain MC58 is able to synthesize all 20 amino acids, strain α522 has an auxotrophy for cysteine and glutamine. In addition, the in vitro growth experiments found that RelA is required for growth in the absence of external amino acids in both strains. Furthermore, the mutant strain MC58 harboring an ATRrelA in its relA promoter region showed improved growth in minimal medium supplemented with L-cysteine and/or L-glutamine compared to the wild-type strain. Contrary, in strain α522 no differences between the wild-type and the ATRrelA deletion mutant were observed.
Together this indicates that ATRrelA interferes with the complex regulatory interplay between the stringent response pathway and L-cysteine as well as L-glutamine metabolism. It further suggests that meningococcal virulence is linked to relA in a strain- and condition- depended manner. In conclusion, this work highlighted the role of the stringent response and of non-coding regulatory elements for bacterial virulence and indicates that virulence might be related to the way how meningococci accomplish growth within the host environments.
Background
Advances in high-throughput sequencing have led to the discovery of widespread transcription of natural antisense transcripts (NATs) in a large number of organisms, where these transcripts have been shown to play important roles in the regulation of gene expression. Likewise, the existence of NATs has been observed in Plasmodium but our understanding towards their genome-wide distribution remains incomplete due to the limited depth and uncertainties in the level of strand specificity of previous datasets.
Results
To gain insights into the genome-wide distribution of NATs in P. falciparum, we performed RNA-ligation based strand-specific RNA sequencing at unprecedented depth. Our data indicate that 78.3% of the genome is transcribed during blood-stage development. Moreover, our analysis reveals significant levels of antisense transcription from at least 24% of protein-coding genes and that while expression levels of NATs change during the intraerythrocytic developmental cycle (IDC), they do not correlate with the corresponding mRNA levels. Interestingly, antisense transcription is not evenly distributed across coding regions (CDSs) but strongly clustered towards the 3′-end of CDSs. Furthermore, for a significant subset of NATs, transcript levels correlate with mRNA levels of neighboring genes.
Finally, we were able to identify the polyadenylation sites (PASs) for a subset of NATs, demonstrating that at least some NATs are polyadenylated. We also mapped the PASs of 3443 coding genes, yielding an average 3′ untranslated region length of 523 bp.
Conclusions
Our strand-specific analysis of the P. falciparum transcriptome expands and strengthens the existing body of evidence that antisense transcription is a substantial phenomenon in P. falciparum. For a subset of neighboring genes we find that sense and antisense transcript levels are intricately linked while other NATs appear to be regulated independently of mRNA transcription. Our deep strand-specific dataset will provide a valuable resource for the precise determination of expression levels as it separates sense from antisense transcript levels, which we find to often significantly differ. In addition, the extensive novel data on 3′ UTR length will allow others to perform searches for regulatory motifs in the UTRs and help understand post-translational regulation in P. falciparum.
Serine/threonine kinase PknB and its corresponding phosphatase Stp are important regulators of many cell functions in the pathogen S. aureus. Genome-scale gene expression data of S. aureus strain NewHG (sigB\(^+\)) elucidated their effect on physiological functions. Moreover, metabolic modelling from these data inferred metabolic adaptations. We compared wild-type to deletion strains lacking pknB, stp or both. Ser/Thr phosphorylation of target proteins by PknB switched amino acid catabolism off and gluconeogenesis on to provide the cell with sufficient components. We revealed a significant impact of PknB and Stp on peptidoglycan, nucleotide and aromatic amino acid synthesis, as well as catabolism involving aspartate transaminase. Moreover, pyrimidine synthesis was dramatically impaired by stp deletion but only slightly by functional loss of PknB. In double knockouts, higher activity concerned genes involved in peptidoglycan, purine and aromatic amino acid synthesis from glucose but lower activity of pyrimidine synthesis from glucose compared to the wild type. A second transcriptome dataset from S. aureus NCTC 8325 (sigB\(^−\)) validated the predictions. For this metabolic adaptation, PknB was found to interact with CdaA and the yvcK/glmR regulon. The involved GlmR structure and the GlmS riboswitch were modelled. Furthermore, PknB phosphorylation lowered the expression of many virulence factors, and the study shed light on S. aureus infection processes.
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.
The hemolytic Escherichia coli strain 536 (06) propagates spontaneous hemolysin- negative mutants at relatively high rates (10-3 to 10-4 ). One type of mutant (type I) lacks both secreted (external) and periplasmic (internal) hemolysin activity (HlYex - IHlYin -) and in addition shows no mannose-resistant hemagglutination (Mrh -), whereas the other type (type II) is HlYex -IHIYin + and Mrh +. The genetic determinants for hemolysin production (hly) and for mannose-resistant hemagglutination (mrh) of this strain are located on the chromosome. Hybridization experiments with DNA probes specific for various parts of the hly determinant reveal that mutants of type I have lost the total hly determinant, whereas those of type 11 lack only part of the hlyB that is essential for transport of hemolysin across the outer membrane. Using a probe that contains the end sequence of the plasmid pHly152-encoded hly determinant (adjacent to hlyB), we determined that a related sequence flanks also the hlyB-distal end of the chromosomal hly determinant of E. coli 536. In addition several other similar or even identical sequences are found in the vicinity of the hlyC- and the hlyB-distal ends of both the chromosomal and the plasmid hly determinants.
Lipid rafts are membrane microdomains specialized in the regulation of numerous cellular processes related to membrane organization, as diverse as signal transduction, protein sorting, membrane trafficking or pathogen invasion. It has been proposed that this functional diversity would require a heterogeneous population of raft domains with varying compositions. However, a mechanism for such diversification is not known. We recently discovered that bacterial membranes organize their signal transduction pathways in functional membrane microdomains (FMMs) that are structurally and functionally similar to the eukaryotic lipid rafts. In this report, we took advantage of the tractability of the prokaryotic model Bacillus subtilis to provide evidence for the coexistence of two distinct families of FMMs in bacterial membranes, displaying a distinctive distribution of proteins specialized in different biological processes. One family of microdomains harbors the scaffolding flotillin protein FloA that selectively tethers proteins specialized in regulating cell envelope turnover and primary metabolism. A second population of microdomains containing the two scaffolding flotillins, FloA and FloT, arises exclusively at later stages of cell growth and specializes in adaptation of cells to stationary phase. Importantly, the diversification of membrane microdomains does not occur arbitrarily. We discovered that bacterial cells control the spatio-temporal remodeling of microdomains by restricting the activation of FloT expression to stationary phase. This regulation ensures a sequential assembly of functionally specialized membrane microdomains to strategically organize signaling networks at the right time during the lifespan of a bacterium.
Bacterial small RNAs (sRNAs) are widespread post-transcriptional regulators that control bacterial stress responses and virulence. Nevertheless, little is known about how they arise and evolve. Homologs can be difficult to identify beyond the strain level using sequence-based approaches, and similar functionalities can arise by convergent evolution. Here, we found that the virulence-associated CJnc190 sRNA of the foodborne pathogen Campylobacter jejuni resembles the RepG sRNA from the gastric pathogen Helicobacter pylori. However, while both sRNAs bind G-rich sites in their target mRNAs using a C/U-rich loop, they largely differ in their biogenesis. RepG is transcribed from a stand-alone gene and does not require processing, whereas CJnc190 is transcribed from two promoters as precursors that are processed by RNase III and also has a cis-encoded antagonist, CJnc180. By comparing CJnc190 homologs in diverse Campylobacter species, we show that RNase III-dependent processing of CJnc190 appears to be a conserved feature even outside of C. jejuni. We also demonstrate the CJnc180 antisense partner is expressed in C. coli, yet here might be derived from the 3’UTR (untranslated region) of an upstream flagella-related gene. Our analysis of G-tract targeting sRNAs in Epsilonproteobacteria demonstrates that similar sRNAs can have markedly different biogenesis pathways.
The small, regulatory RNA RepG (Regulator of polymeric G-repeats) regulates the expression of the chemotaxis receptor TlpB in Helicobacter pylori by targeting a variable G-repeat in the tlpB mRNA leader. Here, we show that RepG additionally controls lipopolysaccharide (LPS) phase variation by also modulating the expression of a gene (hp0102) that is co-transcribed with tlpB. The hp0102 gene encodes a glycosyltransferase required for LPS O-chain biosynthesis and in vivo colonization of the mouse stomach. The G-repeat length defines a gradual (rather than ON/OFF) control of LPS biosynthesis by RepG, and leads to gradual resistance to a membrane-targeting antibiotic. Thus, RepG-mediated modulation of LPS structure might impact host immune recognition and antibiotic sensitivity, thereby helping H. pylori to adapt and persist in the host. The small RNA RepG modulates expression of chemotaxis receptor TlpB in Helicobacter pylori by targeting a length-variable G-repeat in the tlpB mRNA. Here, Pernitzsch et al. show that RepG also gradually controls lipopolysaccharide biosynthesis, antibiotic susceptibility, and in-vivo colonization of the stomach, by regulating a gene that is co-transcribed with tlpB.
Enteric pathogens often cycle between virulent and saprophytic lifestyles. To endure these frequent changes in nutrient availability and composition bacteria possess an arsenal of regulatory and metabolic genes allowing rapid adaptation and high flexibility. While numerous proteins have been characterized with regard to metabolic control in pathogenic bacteria, small non-coding RNAs have emerged as additional regulators of metabolism. Recent advances in sequencing technology have vastly increased the number of candidate regulatory RNAs and several of them have been found to act at the interface of bacterial metabolism and virulence factor expression. Importantly, studying these riboregulators has not only provided insight into their metabolic control functions but also revealed new mechanisms of post-transcriptional gene control. This review will focus on the recent advances in this area of host-microbe interaction and discuss how regulatory small RNAs may help coordinate metabolism and virulence of enteric pathogens.
Small proteins, often defined as shorter than 50 amino acids, have been implicated
in fundamental cellular processes. Despite this, they have been largely understudied throughout all domains of life, since their size often makes their identification and characterization challenging.
This work addressed the knowledge gap surrounding small proteins with a focus
on the model bacterial pathogen Salmonella Typhimurium. In a first step,
new small proteins were identified with a combination of computational and experimental approaches. Infection-relevant datasets were then investigated with
the updated Salmonella annotation to prioritize promising candidates involved in virulence.
To implement the annotation of new small proteins, predictions from the algorithm
sPepFinder were merged with those derived from Ribo-seq. These were added to the Salmonella annotation and used to (re)analyse different datasets. Information
regarding expression during infection (dual RNA-seq) and requirement for virulence (TraDIS) was collected for each given coding sequence. In parallel,
Grad-seq data were mined to identify small proteins engaged in intermolecular
interactions.
The combination of dual RNA-seq and TraDIS lead to the identification of small
proteins with features of virulence factors, namely high intracellular induction
and a virulence phenotype upon transposon insertion. As a proof of principle of
the power of this approach in highlighting high confidence candidates, two small
proteins were characterized in the context of Salmonella infection.
MgrB, a known regulator of the PhoPQ two-component system, was shown to be essential for the infection of epithelial cells and macrophages, possibly via its stabilizing effect on flagella or by interacting with other sensor kinases of twocomponent
systems. YjiS, so far uncharacterized in Salmonella, had an opposite role in infection, with its deletion rendering Salmonella hypervirulent. The mechanism underlying this, though still obscure, likely relies on the interaction with
inner-membrane proteins.
Overall, this work provides a global description of Salmonella small proteins in
the context of infection with a combinatorial approach that expedites the identification
of interesting candidates. Different high-throughput datasets available for
a broad range of organisms can be analysed in a similar manner with a focus on small proteins. This will lead to the identification of key factors in the regulation
of various processes, thus for example providing targets for the treatment of bacterial
infections or, in the case of commensal bacteria, for the modulation of the microbiota composition.
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.
Single-cell time-lapse analysis of depletion of the universally conserved essential protein YgjD
(2011)
Background:
The essential Escherichia coli gene ygjD belongs to a universally conserved group of genes whose function has been the focus of a number of recent studies. Here, we put ygjD under control of an inducible promoter, and used time-lapse microscopy and single cell analysis to investigate the phenotypic consequences of the depletion of YgjD protein from growing cells.
Results:
We show that loss of YgjD leads to a marked decrease in cell size and termination of cell division. The transition towards smaller size occurs in a controlled manner: cell elongation and cell division remain coupled, but cell size at division decreases. We also find evidence that depletion of YgjD leads to the synthesis of the intracellular signaling molecule (p) ppGpp, inducing a cellular reaction resembling the stringent response. Concomitant deletion of the relA and spoT genes - leading to a strain that is uncapable of synthesizing (p) ppGpp abrogates the decrease in cell size, but does not prevent termination of cell division upon YgjD depletion.
Conclusions:
Depletion of YgjD protein from growing cells leads to a decrease in cell size that is contingent on (p) ppGpp, and to a termination of cell division. The combination of single-cell time-lapse microscopy and statistical analysis can give detailed insights into the phenotypic consequences of the loss of essential genes, and can thus serve as a new tool to study the function of essential genes.
Phenotypically identical cells can dramatically vary with respect to behavior during their lifespan and this variation is reflected in their molecular composition such as the transcriptomic landscape. Singlecell transcriptomics using next-generation transcript sequencing (RNA-seq) is now emerging as a powerful tool to profile cell-to-cell variability on a genomic scale. Its application has already greatly impacted our conceptual understanding of diverse biological processes with broad implications for both basic and clinical research. Different single-cell RNAseq protocols have been introduced and are reviewed here – each one with its own strengths and current limitations. We further provide an overview of the biological questions single-cell RNA-seq has been used to address, the major findings obtained from such studies, and current challenges and expected future developments in this booming field.
A novel technique for independent and simultaneous labeling of two antigens expressed on individual cells (referred to as mixed labeling) is presented. The staining procedure combined three-step (streptavidin-biotin) immunogold-silver staining with three-step immunoenzymatic labeling. To ensure both high specificity and high sensitivity, particular emphasis was placed on designing a protocol that avoids immunological crossreactivity between the antibody reagents and overlapping of the final color products. Two examples for usage of this mixed labeling technique are described: lymphocyte subpopulations were identified in inflammatory lesions of human skin and infected host cells were characterized in the skin of mice infected with the obligatory intracellular parasite Leishmania major, a cause of human cutaneous leishmaniasis.