Detailansicht
Virulence factors in Streptococcus pyogenes
horizontal transfer and regulatory aspects
Zaid Ahmed Pirzada
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Zentrum für Molekulare Biologie
Betreuer*in
Emmanuelle Charpentier
DOI
10.25365/thesis.3978
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-30450.63236.929262-2
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Während meiner Dissertation lag mein Interesse in der Erweiterung des Verständnisses der Pathogenität des bekannten humanen Pathogens Streptococcus pyogenes, auch bekannt als Gruppe A Streptococcus (GAS). Dieses Manuskript ist in vier Teile unterteilt: 1) die Rolle von Superantigen-codierenden lysogenen Bakteriophagen in Erwerb und Verbreitung von Virulenzgenen in Streptococci, 2) der Identifikation von small RNAs mit potentiellen regulatorischen Funktionen in GAS, 3) der Rolle des interspezifischen Kommunikationssystems luxS/AI-2 in GAS Metabolismus und Überleben unter Stresskonditionen und 4) der Rolle von Streptolysinen in der angeborenen Immunantwort von Makrophagen auf GAS Infektion.
1) Seit den späten 1980er Jahren, war ein signifikanter Anstieg von schweren Formen durch GAS verursachter Krankheiten im Menschen zu beobachten. Eine Hypothese um dieses Phänomen zu erklären, beruht auf einer gesteigerten Virulenz des Pathogens selbst. In GAS codieren Prophagen für einen oder mehr putative oder bekannte Virulenzfaktoren, einschließlich Superantigenen. Im ersten Teil meiner Dissertation wird die Identifikation des induzierbaren Prophagen F149, welcher für das Superantigen SSA in einem klinischen Isolat von GAS des Serotyps M12 codiert, beschrieben. Durch lysogene Konversion war der Phage zwischen klinischen Isolaten von verschiedenen GAS M-Serotypen (M1, M3, M5, M12, M19, M28 und M94), als auch in Gruppe C Streptococcus equisimilis (GCSE), ex-vivo transferierbar. Unsere Ergebnisse zeigen, dass horizontaler Transfer von lysogenen Phagen zwischen GAS durch die M-Typ-Barriere möglich ist und unterstützen das Konzept der interspezifischen lysogenen Toxin-Konversion. Somit würde lysogene Konversion es GAS ermöglichen, sich effizienter an die wechselnden Bedingungen im Wirt anzupassen, was wiederum zu potentiell konkurrenzfähigeren, virulenteren Klonen führen würde.
2) Kürzlich erschienene Studien zeigen, dass small RNAs (sRNAs) in Bakterien eine signifikante Rolle in der Regulation der Genexpression spielen. Jedoch sind Informationen über die Rolle von sRNAs in S. pyogenes relativ begrenzt. Aus diesem Grund war unser Ziel im zweiten Abschnitt meiner Arbeit die Identifikation neuer sRNAs in S. pyogenes. Zu diesem Zweck wurde ein in silico Verfahren angewandt, fokussierend auf die intergenen Regionen des Genoms von M1-Serotyp GAS. Von 178 identifizierten putativen Loci wurden 90 zur weiteren Analyse ausgewählt, wobei 29 (32%) dieser sRNAs unter normalen Wachstumsbedingungen exprimiert werden. Die Expression der Kandidaten wurde verifiziert in den Serotypen M1, M3, M5 und M49, ihre 5’ und 3’ Enden wurden determiniert, ihre Stabilität bestimmt und ihre in silico Sekundärstruktur wurde vorhergesagt. Gefunden wurden 5 Riboswitches, 6 leader elements, 4 funktionelle RNAs, 8 T-Boxen und 5 neue sRNAs. Zwei dieser sRNA Kandidaten befinden sich in der 5’ UTR von Riboflavin- und Tryptophan- Transportergenen und scheinen diese Gene durch trankriptionelle oder translationelle Attenuierungsmechansimen zu kontrollieren. Das zeigt die Wichtigkeit von sRNAs in der Kontrolle der Aufnahme essentieller Metaboliten in Bakterien durch regulatorische Genexpression. Zusätzlich wurde eine in der intergenen Region identifizierte sRNA SpyRNA049 auf ihre potentielle Rolle in GAS-Pathogenität weiter analysiert.
3) Frühere Studien zeigten, dass das interspezifische Zell-Zell-Kommunikationssystem luxS/AI-2 eine Rolle in Metabolismus und Pathogenität spielt. Im dritten Abschnitt meiner Dissertation war das Ziel, die Rolle des luxS/AI-2 Systems in den S. pyogenes Serotypen M1 und M19 zu verstehen. Unsere Ergebnisse lassen auf eine limitierte Rolle von luxS/AI-2 im S-Adenosylmethioninzyklus schließen. Überlebensassays mit luxS-Mutanten sowie luxS-Expression und AI-2-ähnliche Aktivitätsassays im leicht sauren Milieu demonstrierten die Beteiligung des luxS/AI-2 Systems in der Stressadaptation von GAS. Interaktionsanalyse mit Wirtszellen zeigte, dass die luxS-Mutanten im Vergleich zum Wildtyp in höherem Ausmaß in Epithelzellen und Makrophagen überlebten. Alles in allem zeigen unsere Daten, dass das luxS/AI-2 System nicht nur in die Regulation der Virulenzfaktorexpression involviert ist, sondern auch für Bakterien einen Vorteil darstellt, in herausfordernden Wirtsumgebungen zu überleben.
4) Im Allgemeinen werden Bakterien von den Immunzellen des Wirts durch pattern recognition receptors, wie Toll-like receptors (TLRs), erkannt. Über die Erkennung von GAS durch Makrophagen ist jedoch wenig bekannt. Die Ergebnisse, die im vierten Teil meiner Dissertation beschrieben werden, lassen darauf schließen, dass Makrophagen S. pyogenes unabhängig von den TLRs die typisch für gram-positive Pathogene sind (TLR2, TLR4 und TLR9 sowie ihre Kombinationen), erkennen. Jedoch waren die in Makrophagen beobachteten Signalereignisse auf GAS-Infektion immer noch abhängig vom TLR-Adaptor MyD88. Überraschenderweise war die IFN-Produktion unabhängig von den GAS-Cytolysinen SLS und SLO, die oft von anderen gram-positiven Bakterien benötigt werden. Alles in allem lassen unsere Ergebnisse darauf schließen, dass GAS durch einen MyD88-abhängigen Rezeptor, anders als die üblicherweise verwendeten, erkannt wird und lassen einen neuen Typ der bakteriellen Erkennung für die Produktion von TypI IFN erkennen.
Abstract
(Englisch)
During my thesis work, I have been interested in extending our understanding of the pathogenicity of the notorious human pathogen Streptococcus pyogenes, also called group A streptococcus (GAS). This thesis manuscript is divided into four parts: 1) role of superantigen-encoding lysogenic bacteriophages in the acquisition and spread of virulence genes among streptococci, 2) the identification of small RNAs with potential regulatory functions in GAS, 3) the role of the interspecies communication system luxS/AI-2 in GAS metabolism and survival under stress conditions and 4) the role of streptolysins in the innate immune responses of macrophages upon GAS infection.
1) Since the late 1980s, there has been a significant reemergence of severe forms of human diseases caused by GAS. One hypothesis to explain this phenomenon has focused on an enhanced virulence of the pathogen itself. In GAS, prophages encode one or more putative or established virulence factors including superantigens. The first part of my thesis describes the identification of an inducible prophage F149 encoding superantigen SSA in an M12 GAS clinical isolate. By lysogenic conversion the phage was transferable ex-vivo among GAS clinical isolates of various M serotypes (M1, M3, M5, M12, M19, M28 and M94) as well as of Group C Streptococcus equisimilis (GCSE). Our data indicate that horizontal transfer of lysogenic phage among GAS can occur across the M-type barrier and provide further support for the concept of interspecies lysogenic toxin-conversion. Therefore, lysogenic conversion would allow GAS to more efficiently adapt to the changing host conditions, thus potentially leading to fitter and more virulent clones.
2) Recent studies show that in bacteria small RNAs (sRNAs) play a significant role in the regulation of gene expression. However, information regarding sRNAs in S. pyogenes is rather limited. Thus, in the second part of my thesis, our aim was to identify novel sRNAs in S. pyogenes. For this purpose, we used an in silico approach focusing on the intergenic regions of the GAS M1 serotype genome. From 178 identified putative loci, 90 were further selected for analysis and 29 (32%) of these sRNAs showed expression under normal growth conditions. Expression of the candidates was verified in M1, M3, M5 and M49 serotypes, their 5’ and 3’ ends were mapped, their stability was determined and their in silico secondary structures were predicted. We found 5 riboswitches, 6 leader elements, 4 functional RNAs, 8 T-boxes and 5 novel sRNAs. Two of the sRNA candidates residing in the 5’ UTR of the riboflavin and tryptophan transporter genes seemed to control the transporter genes via transcriptional or translational attenuation mechanisms. This shows the importance of sRNAs in the control of the uptake of essential metabolites by regulating gene expression in bacteria. In addition, one sRNA SpyRNA049 identified in the intergenic region, was further analyzed for its potential role in GAS pathogenicity.
3) Previous studies showed that the interspecies luxS/AI-2 cell-cell communication system plays a role in metabolism and pathogenicity. In the third part of my thesis we aimed at understanding the role of the luxS/AI-2 system in S. pyogenes serotypes M1 and M19. Our results indicated a limited role of luxS/AI-2 in the activated methyl cycle metabolism. Survival assays with luxS mutants as well as luxS expression and AI-2 like activity assays under low acidic conditions demonstrated the involvement of luxS/AI-2 system in the adaptation of GAS to stress. Interaction analysis with host cells showed that the luxS mutants survived in epithelial cells and macrophages to a higher degree compared to the wild-type. Overall, our data show that the luxS/AI-2 system is not only involved in the regulation of virulence factor expression but also provides bacteria an advantage to survive in challenging host environments.
4) Bacteria are generally recognized by host immune cells by the pattern recognition receptors like toll-like receptors (TLRs). However, little is known about the recognition of GAS by macrophages. Data described in the fourth part of my thesis suggest that S. pyogenes is recognized by macrophages independently of the most commonly TLRs used to recognize gram-positive pathogens, TLR2, TLR4 and TLR9 and their combination. However, the signaling events observed in macrophages upon GAS infection were still dependent on the TLR-adaptor MyD88. Surprisingly, IFN production was independent of the GAS cytolysins, SLS and SLO, often required in other gram-positive bacteria. Overall our data indicate that GAS is recognized by a MyD88-dependent receptor other than those commonly used to detect bacteria and reveal a new type of bacterial recognition for the production of type I IFN.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Streptococcus pyogenes pathogenicity small RNAs bacteria horizonal transfer bacteriophages
Schlagwörter
(Deutsch)
Streptococcus pyogenes Pathogenität kleine RNA Bakterien horizontaler Transfer Bakteriophagen
Autor*innen
Zaid Ahmed Pirzada
Haupttitel (Englisch)
Virulence factors in Streptococcus pyogenes
Hauptuntertitel (Englisch)
horizontal transfer and regulatory aspects
Paralleltitel (Deutsch)
Virulenzfaktoren in Streptococcus pyogenes ; horizontaler Transfer und regulatorische Aspekte
Publikationsjahr
2009
Umfangsangabe
164 S. : Ill., graph. Darst.
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Silvia Knapp ,
Marie-Cecile Poly
Klassifikationen
42 Biologie > 42.20 Genetik ,
42 Biologie > 42.30 Mikrobiologie
AC Nummer
AC05040288
Utheses ID
3509
Studienkennzahl
UA | 091 | 441 | |