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Novel intracellular bacteria with unusual lifestyles and unique feature

Frederik Schulz

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Lebenswissenschaften

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Doctor of Philosophy-Doktoratsstudium NAWI Bereich Lebenswissenschaften (Dissertationsgebiet: Biologie)

Betreuer*in

Matthias Horn

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URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-29661.42441.380865-6

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Die meisten Eukaryonten sind eng mit Bakterien assoziiert, die entweder als Mutualisten oder als Pathogene auftreten. Amöben stellen ein ideales Modellsystem dar, um das Zusammenspiel zwischen Wirt und Symbiont zu untersuchen. Diese Einzeller tragenhäufig Bakterien in sich, welche sich nahezu ausschließlich im Wirtszytoplasma vermehren. In der vorliegenden Doktorarbeit zeigen wir, dass auch Bakterien die den Zellkern ihres Wirtes infizieren überraschend häufig vorkommen, sie zu vier großen bakteriellen taxonomischen Gruppen gehören und eine Vielzahl an verschiedenen Eukaryonten infizieren können. Wir beschreiben die Entdeckung eines neuartigen Alphaproteobakteriums, welches im Süßwasser und im Boden vorkommt und gezielt den Zellkern von Amöben infiziert. Obwohl das Bakterium keinen schädigenden Einfluss auf Hartmannellen als den originalen Wirt hat, lysiert es Acanthamöben. Das 1.84 Megabasenpaare große Genom des Symbionten enthält eine Ansammlung an Genen die im Zusammenhang mit Wirtsinteraktion und Virulenz gebracht werden können, wie zum Beispiel drei Nukleotidtransporter, Typ IV Pili, eine Kapsel bestückt mit Sialinsäuren, ein Flagellum, ein Typ VI Sekretionssystem und eine Vielzahl an möglichen Nukleomodulinen. Die Analyse des Proteoms infizierter und uninfizierter Zellkerne konnte des Weiteren zeigen, dass viele der vorhergesagten makromolekularen Strukturen und Effektoren tatsächlich exprimiert werden und dass die Infektion des Zellkerns einen starken Einfluss auf grundlegende Vorgänge in der Wirtszelle hat, wie zum Beispiel auf Transkription, Translation und Signaltransduktion. Neben diesem obligaten Kernsymbionten wurden im Rahmen der Doktorarbeit auch der Infektionsprozess und das Genom eines intrazytoplasmatischen Amöbensymbionten untersucht. Dieses Bakterium weist ebenfalls viele einzigartige Merkmale auf, wie zum Beispiel drei verschiedene Typ IV Sekretionssysteme, eine nie zuvor beobachtete Vielzahl an möglichen Effektorproteinen und ein Flagellum. Darüber hinaus beschreiben wir zwei neuartige Gammaproteobakterien die aus marinen Habitaten stammen und Amöben infizieren. Einer der beiden Symbionten vermehrt sich im perinukleären Raum seines Wirtes und stellt dadurch ein weiteres Beispiel für Bakterien dar, die sich den Zellkern als Nische ausgesucht haben. Insgesamt gesehen trägt diese Arbeit zu unser Verständnis über Evolution und Anpassung von Bakterien an das intrazelluläre Leben bei.

Abstract

(Englisch)

Most eukaryotes are associated with bacteria which are either beneficial for their hosts or appear as pathogens. Amoebae represent an ideal model system to study such host-symbiont interactions; they frequently harbor diverse intracellular bacteria, which almost exclusively replicate within the cytoplasm. Here we deliver evidence that bacteria infecting their host cell’s nucleus are surprisingly widespread, are affiliated with four major bacterial groups and infect a wide-range of eukaryotes. We report on the discovery of a novel alphaproteobacterial symbiont which occurs in freshwater and soil habitats and specifically targets the nucleus of amoebae. Although the bacterium has no impact on the fitness of its native Hartmannella sp. host, it is lytic for Acanthamoeba castellanii. The symbiont's 1.84 Mb genome is enriched in factors facilitating host interaction and virulence; three nucleotide transporters, type IV pili, a polysialic acid capsule, a flagellum, a type VI secretion system and myriads of candidate nucleomodulins. Analysis of the proteome of infected and uninfected amoeba nuclei confirmed the expression of the predicted macromolecular structures and effectors and illustrated the strong impact of an intranuclear infection on host cellular processes, such as transcription, translation and signal transduction. Besides this obligate intranuclear bacterium, we studied the infection process and genome of a related intracytoplasmic symbiont of amoebae, revealing unique features, such as the presence of three type IV secretion systems along with a so far unparalleled number of potential effector proteins, and a nearly complete set of flagellar genes. At last, we report on two novel gammaproteobacteria which infect amoebae in so-far often neglected marine environments. We show that one of the two symbionts colonizes the perinuclear space of its host cell, representing yet another example of the nucleus as a niche for bacterial replication. Overall, this work significantly contributes to our current knowledge of evolution, underlying mechanisms and adaptation of bacteria to intracellular life in eukaryotes.

Autor*innen

Frederik Schulz

Haupttitel (Englisch)

Novel intracellular bacteria with unusual lifestyles and unique feature

Paralleltitel (Deutsch)

Neuartige intrazelluläre Bakterien mit ungewöhnlichen Lebensstilen und einzigartigen Fähigkeiten

Publikationsjahr

2015

Umfangsangabe

174 S. : Ill.. graph. Darst.

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Carmen Buchrieser ,

Giulio Petroni

Klassifikationen

42 Biologie > 42.21 Evolution ,

42 Biologie > 42.30 Mikrobiologie

AC Nummer

AC12402563

Utheses ID

33970

Studienkennzahl

UA | 794 | 685 | 437 |

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