Das Projekt „Balanced Lethal System in Salmonella typhi Ty21a“ der AG Bakterielle Tumortherapie des MSZ zielt auf die Entwicklung eines Vakzinstammes, der in der humanen Krebstherapie zum Einsatz kommen soll. Ziel dieser Arbeit war das zuvor etablierte Balanced Lethal System in Salmonella typhi Ty21a zu optimieren. / The aim of this project is to develop a bacterial vaccine that will be used in cancer immunotherapy. The aim of this dissertation was to improve the established balanced lethal system in Salmonella typhi Ty21a.

La bactérie Salmonella enterica sérovar Typhi (S. Typhi) provoque la fièvre typhoïde chez les humains et constitue un problème de santé publique important. La majorité de nos connaissances sur la pathogenèse de cette bactérie provient du modèle de fièvre entérique chez la souris causée par le sérovar Typhimurium. Peu d’études se sont penchées sur les facteurs de virulence uniques au sérovar Typhi, ni sur la possibilité que les pseudogènes retrouvés dans son génome puissent être fonctionnels. Le fimbria stg, unique au sérovar Typhi, renferme un codon d’arrêt TAA prématuré dans le gène stgC qui code pour le placier responsable de l’assemblage des sous-unités fimbriaires à la surface de la bactérie. Ainsi, le fimbria stg a été classifié dans la liste des pseudogènes non-fonctionnels. Les objectifs de cette étude étaient d’évaluer l’implication du fimbria stg lors de l’interaction avec les cellules humaines, puis de vérifier l’importance du pseudogène stgC lors de la biogenèse fimbriaire. Dans une première partie, la transcription de stg a été évaluée à l’aide d’une fusion lacZ. Malgré des niveaux d’expression observés généralement faibles en milieu riche, la croissance en milieu minimal a favorisé la transcription de l’opéron. La délétion complète de l’opéron fimbriaire stgABCD du génome de S. Typhi a été réalisée par échange allélique, puis a été complémentée sur un plasmide. Il a été démontré que la présence de stg chez S. Typhi, S. Typhimurium et E. coli contribue à une adhérence accrue sur les cellules épithéliales humaines. De plus, ce fimbria semble agir comme une structure anti-phagocytaire lors de l’interaction avec des macrophages humains. Ainsi, l’opéron stg semble fonctionnel, malgré son codon d’arrêt prématuré, puisque des phénotypes ont été observés. La seconde partie de cette étude consistait à vérifier le rôle joué par le pseudogène stgC dans la biogenèse du fimbria. Différentes variantes de l’opéron ont été générées, clonées dans un vecteur inductible à l’arabinose, puis transformées dans la souche afimbriaire d’E. coli ORN172. La translocation de la sous-unité fimbriaire StgD à la surface de la bactérie a été évaluée chez ces différents mutants par immunobuvardage de type Western. Cette expérience a permis de démontrer que le pseudogène stgC est essentiel pour l’exportation de la sous-unité StgD à la surface. L’ajout d’une étiquette de 6-histidines en C-terminal de StgC a permis de confirmer la traduction complète du gène, malgré le codon d’arrêt TAA prématuré. Le séquençage peptidique a révélé l’insertion d’une tyrosine à ce codon. Une fusion traductionnelle avec la protéine verte fluorescente a révélé qu’environ 0.8% de l’ARNm peut être traduit et permet la production complète du placier. Ce projet a permis la caractérisation d’un facteur de virulence unique à S. Typhi et constitue une étape de plus vers la compréhension de ses mécanismes de pathogenèse. Il s’agit de la première démonstration chez les bactéries de la fonctionnalité d’un gène interrompu prématurément par un codon d’arrêt TAA. / Salmonella enterica serovar Typhi (S. Typhi) causes typhoid fever in humans and is considered as an important health problem. Most of our knowledge on the pathogenesis of this bacterium comes from an enteric fever model in mice caused by serovar Typhimurium. Few studies have examined the virulence factors unique to serovar Typhi or the possibility that pseudogenes harbored in its genome may be functional. stg fimbriae are found only within the serovar Typhi genome and contain a premature TAA stop codon in the stgC gene encoding the usher responsible for the assembly of fimbrial subunits at the bacterial surface. Thus, the stg fimbria has been classified among the list of non-functional pseudogenes. The objectives of this study were to assess the involvement of stg fimbriae during interaction with human cells, and then to evaluate the importance of the stgC pseudogene in fimbrial biogenesis. First, stg transcription was evaluated using a lacZ fusion. Despite low expression levels generally observed in rich medium, growth in minimal medium promoted transcription of the operon. Complete deletion of the stgABCD fimbrial operon from S. Typhi was performed by allelic exchange and was complemented on a plasmid. It has been shown that the presence of stg in S. Typhi, S. Typhimurium and E. coli contributes to increased adherence to human epithelial cells. In addition, the fimbriae seem to act as an anti-phagocytic structure during the interaction with macrophages. Thus, the stg operon appears to be functional despite its premature codon, as phenotypes were observed. The second part of this study involved testing the role of the stgC pseudogene in fimbrial biogenesis. Different variants of the operon were generated, cloned into an arabinose inducible vector, and then transformed into afimbriated E. coli strain ORN172. Translocation of the StgD subunit to the cell surface of the different mutants was evaluated using Western blot. This experiment demonstrated that stgC is essential for export of the StgD subunit to the cell surface. The addition of a 6-histidine tag at the C-terminal end of StgC confirmed the complete translation of the gene, despite the premature TAA stop codon. Peptide sequencing revealed the insertion of a tyrosine at this codon. A translational fusion with the green fluorescent protein demonstrated that approximately 0.8% of the mRNA can be translated to allow full production of the usher. This project allowed characterization of a virulence factor unique to S. Typhi and is a step closer towards better understanding of its pathogenesis mechanisms. This is the first demonstration in bacteria of the functionality of a gene which is interrupted by a premature TAA stop codon.

Les fimbriae sont des structures protéiques extracellulaires retrouvées chez une vaste diversité de bactéries. Ces structures ont fait l’objet de nombreuses études et sont maintenant reconnus pour leur implication dans l’adhésion et l’invasion aux cellules eucaryotes, mais aussi dans la production de biofilms. Ils sont groupés selon leur voie de sécrétion. Certains utilisent une machinerie spécifique et individuelle, c’est le cas des pili de type IV, tandis que d’autres utilisent la voie de sécrétion générale suivit d’une voie spécifique telle que la voie du chaperon-placier (« Chaperon Usher Pathway ») (fimbriae CUP) ou la voie de nucléation précipitation (« nucleation precipitation pathway ») (Curli). Malgré toutes les connaissances actuelles concernant les fimbriae, très peu d’informations sont disponibles quant aux fimbriae de Salmonella enterica sérovar Typhi (S. Typhi). Ce pathogène unique à l’homme est l’agent étiologique de la fièvre typhoïde. Puisque les fimbriae sont reconnus pour être impliqués dans l’adaptation à l’hôte, nous avons décidé d’étudier davantage l’arsenal fimbriaire de S. Typhi, dans l’espoir d’identifier des facteurs de virulence uniques à S. Typhi et impliqués dans la ségrégation de l’hôte. La souche S. Typhi ISP1820 possède 14 opérons codant pour des systèmes d’adhésion, mais plusieurs contiennent des pseudogènes et leur expression n’a jamais été observée in vitro. Afin d’étudier les systèmes d’adhésion de S. Typhi, nous avons supprimé chaque opéron du génome individuellement et cumulativement à l’aide une technique de mutagénèse par échange allélique. Ainsi, nous avons testé chaque mutant individuel et la souche mutante pour tous les systèmes d’adhésion dans plusieurs essais tels que des infections de cellules épithéliales et de macrophages, de mobilité et de formation de biofilm. Nous avons aussi évalué l’expression des fimbriae lors de différentes conditions de croissance en laboratoire par RT-PCR. Tous les tests réalisés nous ont permis de découvrir que plusieurs opérons fimbriaires de S. Typhi sont opérationnels et utilisés pour différentes fonctions par la bactérie. / Fimbriae are extracellular proteinaceous appendages found in many bacteria. They are widely studied and believe to be implicated in several cellular functions such as adhesion, invasion of eukaryotic cells, and biofilm production. They are classified depending on their pathway of secretion: some, like type IV pili, use self-specific machinery, while others use the general secretory pathway followed by their own assembly pathway such as the Chaperon Usher Pathway (CUP fimbriae) and the nucleation precipitation pathway (curli). Despite everything that is known about these structures, little has been discovered regarding fimbrial systems of Salmonella enterica serovar Typhi (S. Typhi). This pathogen is a human restricted serovar and the etiological agent of typhoid fever. Since fimbriae have been implicated in host adaptation, we have decided to further study S. Typhi fimbrial arsenal in the hope of uncovering virulence factors unique to S. Typhi and implicated in host specificity. The S. Typhi ISP1820 strain carries 14 operons encoding for fimbrial structures, but many are believed pseudogenes or are not expressed in vitro. In order to study these different adhesion systems in S. Typhi, we have deleted each one individually and cumulatively by allelic exchange mutagenesis. Hence, we have tested every individual mutation and the mutant strain deprived of all 14 operons in many different assays including epithelial cell and macrophage infection, mobility, and biofilm formation. We also evaluate expression during growth under laboratory conditions by RT-PCR. These experiments have allowed us to discover that many of S. Typhi fimbriae are functional, expressed, and used by the bacteria in many different processes.

Les fimbriae sont des structures protéiques extracellulaires retrouvées chez une vaste diversité de bactéries. Ces structures ont fait l’objet de nombreuses études et sont maintenant reconnus pour leur implication dans l’adhésion et l’invasion aux cellules eucaryotes, mais aussi dans la production de biofilms. Ils sont groupés selon leur voie de sécrétion. Certains utilisent une machinerie spécifique et individuelle, c’est le cas des pili de type IV, tandis que d’autres utilisent la voie de sécrétion générale suivit d’une voie spécifique telle que la voie du chaperon-placier (« Chaperon Usher Pathway ») (fimbriae CUP) ou la voie de nucléation précipitation (« nucleation precipitation pathway ») (Curli). Malgré toutes les connaissances actuelles concernant les fimbriae, très peu d’informations sont disponibles quant aux fimbriae de Salmonella enterica sérovar Typhi (S. Typhi). Ce pathogène unique à l’homme est l’agent étiologique de la fièvre typhoïde. Puisque les fimbriae sont reconnus pour être impliqués dans l’adaptation à l’hôte, nous avons décidé d’étudier davantage l’arsenal fimbriaire de S. Typhi, dans l’espoir d’identifier des facteurs de virulence uniques à S. Typhi et impliqués dans la ségrégation de l’hôte. La souche S. Typhi ISP1820 possède 14 opérons codant pour des systèmes d’adhésion, mais plusieurs contiennent des pseudogènes et leur expression n’a jamais été observée in vitro. Afin d’étudier les systèmes d’adhésion de S. Typhi, nous avons supprimé chaque opéron du génome individuellement et cumulativement à l’aide une technique de mutagénèse par échange allélique. Ainsi, nous avons testé chaque mutant individuel et la souche mutante pour tous les systèmes d’adhésion dans plusieurs essais tels que des infections de cellules épithéliales et de macrophages, de mobilité et de formation de biofilm. Nous avons aussi évalué l’expression des fimbriae lors de différentes conditions de croissance en laboratoire par RT-PCR. Tous les tests réalisés nous ont permis de découvrir que plusieurs opérons fimbriaires de S. Typhi sont opérationnels et utilisés pour différentes fonctions par la bactérie. / Fimbriae are extracellular proteinaceous appendages found in many bacteria. They are widely studied and believe to be implicated in several cellular functions such as adhesion, invasion of eukaryotic cells, and biofilm production. They are classified depending on their pathway of secretion: some, like type IV pili, use self-specific machinery, while others use the general secretory pathway followed by their own assembly pathway such as the Chaperon Usher Pathway (CUP fimbriae) and the nucleation precipitation pathway (curli). Despite everything that is known about these structures, little has been discovered regarding fimbrial systems of Salmonella enterica serovar Typhi (S. Typhi). This pathogen is a human restricted serovar and the etiological agent of typhoid fever. Since fimbriae have been implicated in host adaptation, we have decided to further study S. Typhi fimbrial arsenal in the hope of uncovering virulence factors unique to S. Typhi and implicated in host specificity. The S. Typhi ISP1820 strain carries 14 operons encoding for fimbrial structures, but many are believed pseudogenes or are not expressed in vitro. In order to study these different adhesion systems in S. Typhi, we have deleted each one individually and cumulatively by allelic exchange mutagenesis. Hence, we have tested every individual mutation and the mutant strain deprived of all 14 operons in many different assays including epithelial cell and macrophage infection, mobility, and biofilm formation. We also evaluate expression during growth under laboratory conditions by RT-PCR. These experiments have allowed us to discover that many of S. Typhi fimbriae are functional, expressed, and used by the bacteria in many different processes.

La bactérie Salmonella enterica sérovar Typhi (S. Typhi) provoque la fièvre typhoïde chez les humains et constitue un problème de santé publique important. La majorité de nos connaissances sur la pathogenèse de cette bactérie provient du modèle de fièvre entérique chez la souris causée par le sérovar Typhimurium. Peu d’études se sont penchées sur les facteurs de virulence uniques au sérovar Typhi, ni sur la possibilité que les pseudogènes retrouvés dans son génome puissent être fonctionnels. Le fimbria stg, unique au sérovar Typhi, renferme un codon d’arrêt TAA prématuré dans le gène stgC qui code pour le placier responsable de l’assemblage des sous-unités fimbriaires à la surface de la bactérie. Ainsi, le fimbria stg a été classifié dans la liste des pseudogènes non-fonctionnels. Les objectifs de cette étude étaient d’évaluer l’implication du fimbria stg lors de l’interaction avec les cellules humaines, puis de vérifier l’importance du pseudogène stgC lors de la biogenèse fimbriaire. Dans une première partie, la transcription de stg a été évaluée à l’aide d’une fusion lacZ. Malgré des niveaux d’expression observés généralement faibles en milieu riche, la croissance en milieu minimal a favorisé la transcription de l’opéron. La délétion complète de l’opéron fimbriaire stgABCD du génome de S. Typhi a été réalisée par échange allélique, puis a été complémentée sur un plasmide. Il a été démontré que la présence de stg chez S. Typhi, S. Typhimurium et E. coli contribue à une adhérence accrue sur les cellules épithéliales humaines. De plus, ce fimbria semble agir comme une structure anti-phagocytaire lors de l’interaction avec des macrophages humains. Ainsi, l’opéron stg semble fonctionnel, malgré son codon d’arrêt prématuré, puisque des phénotypes ont été observés. La seconde partie de cette étude consistait à vérifier le rôle joué par le pseudogène stgC dans la biogenèse du fimbria. Différentes variantes de l’opéron ont été générées, clonées dans un vecteur inductible à l’arabinose, puis transformées dans la souche afimbriaire d’E. coli ORN172. La translocation de la sous-unité fimbriaire StgD à la surface de la bactérie a été évaluée chez ces différents mutants par immunobuvardage de type Western. Cette expérience a permis de démontrer que le pseudogène stgC est essentiel pour l’exportation de la sous-unité StgD à la surface. L’ajout d’une étiquette de 6-histidines en C-terminal de StgC a permis de confirmer la traduction complète du gène, malgré le codon d’arrêt TAA prématuré. Le séquençage peptidique a révélé l’insertion d’une tyrosine à ce codon. Une fusion traductionnelle avec la protéine verte fluorescente a révélé qu’environ 0.8% de l’ARNm peut être traduit et permet la production complète du placier. Ce projet a permis la caractérisation d’un facteur de virulence unique à S. Typhi et constitue une étape de plus vers la compréhension de ses mécanismes de pathogenèse. Il s’agit de la première démonstration chez les bactéries de la fonctionnalité d’un gène interrompu prématurément par un codon d’arrêt TAA. / Salmonella enterica serovar Typhi (S. Typhi) causes typhoid fever in humans and is considered as an important health problem. Most of our knowledge on the pathogenesis of this bacterium comes from an enteric fever model in mice caused by serovar Typhimurium. Few studies have examined the virulence factors unique to serovar Typhi or the possibility that pseudogenes harbored in its genome may be functional. stg fimbriae are found only within the serovar Typhi genome and contain a premature TAA stop codon in the stgC gene encoding the usher responsible for the assembly of fimbrial subunits at the bacterial surface. Thus, the stg fimbria has been classified among the list of non-functional pseudogenes. The objectives of this study were to assess the involvement of stg fimbriae during interaction with human cells, and then to evaluate the importance of the stgC pseudogene in fimbrial biogenesis. First, stg transcription was evaluated using a lacZ fusion. Despite low expression levels generally observed in rich medium, growth in minimal medium promoted transcription of the operon. Complete deletion of the stgABCD fimbrial operon from S. Typhi was performed by allelic exchange and was complemented on a plasmid. It has been shown that the presence of stg in S. Typhi, S. Typhimurium and E. coli contributes to increased adherence to human epithelial cells. In addition, the fimbriae seem to act as an anti-phagocytic structure during the interaction with macrophages. Thus, the stg operon appears to be functional despite its premature codon, as phenotypes were observed. The second part of this study involved testing the role of the stgC pseudogene in fimbrial biogenesis. Different variants of the operon were generated, cloned into an arabinose inducible vector, and then transformed into afimbriated E. coli strain ORN172. Translocation of the StgD subunit to the cell surface of the different mutants was evaluated using Western blot. This experiment demonstrated that stgC is essential for export of the StgD subunit to the cell surface. The addition of a 6-histidine tag at the C-terminal end of StgC confirmed the complete translation of the gene, despite the premature TAA stop codon. Peptide sequencing revealed the insertion of a tyrosine at this codon. A translational fusion with the green fluorescent protein demonstrated that approximately 0.8% of the mRNA can be translated to allow full production of the usher. This project allowed characterization of a virulence factor unique to S. Typhi and is a step closer towards better understanding of its pathogenesis mechanisms. This is the first demonstration in bacteria of the functionality of a gene which is interrupted by a premature TAA stop codon.

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Das Gen für die Expression von Helicobacter pylori Urease wurde in das Genom von Salmonella typhi Ty21a (Typhoral() integriert. Der resultierende Stamm erhielt die Bezeichnung Salmonella typhi Ty21a(pDB1). Neun gesunden Probanden wurde Salmonella typhi Ty21a(pDB1) verabreicht. In der Kontrollgruppe erhielten drei gesunde Probanden Salmonella typhi Ty21a. Schwerwiegende Nebenwirkungen wurden bei keinem der Probanden beobachtet. Zehn von 12 Probanden zeigten eine humorale Immunantwort gegen Antigene von Salmonella typhi, nachgewiesen über die Detektion spezifischer Antikörper produzierender Zellen, aber bei nur zwei Probanden ließ sich eine Serokonversion nachweisen. Eine zelluläre Immunantwort gegen das H-Antigen von Salmonella typhi konnte bei insgesamt fünf Probanden nachgewiesen werden. Insgesamt sechs Probanden zeigten eine zelluläre Immunantwort gegen Urease von Helicobacter pylori in zumindest einem von drei der zur Anwendung gebrachten Testsysteme (Proliferation, T-cell-Elispot, IFN-gamma Elisa). Eine humorale Immunantwort gegen Urease von Helicobacter pylori konnte bei keinem der Probanden nachgewiesen werden. Ty21a(pDB1) ist somit ein geeigneter Prototyp zur Optimierung einer Salmonella basierte Impfung zur Induktion einer zellulären Immunantwort, die zu einer protektiven Immunität gegenüber Helicobacter pylori führen könnte. / Helicobacter pylori urease was expressed in the common live typhoid vaccine Salmonella typhi Ty21a (Typhoral() yielding Salmonella typhi Ty21a(pDB1). Nine volunteers received Salmonella typhi Ty21a(pDB1) and three control volunteers received Salmonella typhi Ty21a. No serious adverse effects were observed in any of the volunteers. Ten out of 12 volunteers developed humoral immune responses to the Salmonella carrier as detected by antigen-specific antibody-secreting cells but only two volunteers seroconverted. A total of five volunteers showed cellular responses to the carrier. Six out of nine volunteers that had received Salmonella typhi Ty21a(pDB1) showed a T-cell response to Helicobacter urease in at least one of the three assays for detection of cellular response (Proliferation, T-cell-Elispot, IFN-gamma Elisa). No volunteer had detectable humoral responses to urease. Salmonella typhi Ty21a(pDB1) is a suitable prototype to optimize Salmonella-based vaccination for efficient cellular responses that could mediate protective immunity against Helicobacter.

Salmonella enterica serovar Typhi, a major public health concern in developing countries, continues to be a priority for the World Health Organization. S. Typhi possesses a viaB locus responsible for the biosynthesis of the Vi-capsular antigen, a significant virulence factor at the focus of developing improved prophylaxis for typhoid fever. Tissue culture experiments have demonstrated that S. Typhi wild-type capsule-expressing strain elicits less chemokine secretion than a viaB mutant. Calf experiments using the viaB mutant resulted in an increase inflammatory response. Osmolarity is one of the control signals that affect the biosynthesis of the Vi antigen. Under high osmolarity growth conditions of 300 mM and greater, Vi production is suppressed and S. Typhi is highly invasive. Studies reveal that the viaB mutant displays increased invasion towards intestinal epithelial cells. Our first objective was to implement direct and indirect methods to localize and detect Vi expression within intestinal epithelial cells and bovine Peyer's patch. The second objective was to compare the invasiveness between a viaB mutant, an ompR mutant, and S. Typhi grown under hyperosmolarity. We also measured the effects of these strains in eliciting inflammation in the calf model. We report that tviB was significantly up regulated intracellularly within T84 polarized cells. In the calf experiments, tviB was expressed at levels significantly higher in calf tissue following invasion compared to inoculum grown under Vi-suppressing conditions. Together, these results support the idea that the Vi capsular antigen is expressed after invasion of intestinal epithelial cells in vivo. We found that S. Typhi grown under high osmolarity, the viaB mutant, and the ompR mutant had increased invasion in polarized T84 cells and bovine ileal tissue. Fluid accumulation among Vi-deficient and Vi-suppressed strains was similar. The histopathology of the inflammatory lesions of the small intestine produced by the Vi-deficient and suppressed strains was quite comparable. Our data supports the notion that Vi-suppressed and Vi mutants of S. Typhi exhibit similar levels of increased invasion and inflammation, perhaps mechanistically through the inactivation of the Vi antigen.

The intracellular human pathogen Salmonella enterica serovar Typhi (S. typhi) causes the systemic disease known as typhoid fever. This disease afflicts approximately 17,000,000 people every year, of which over 600,000 cases are fatal. / Sequencing of the S. typhi genome has allowed a better understanding of the pathogenesis caused by this bacterium. In silico research on the genome sequence identified three open reading frames, termed prpZ gene cluster, present in the Ty2 and multi-drug resistant CT18 strains of S. typhi but absent in all other sequenced serovars of S. enterica. Further analysis of this gene cluster revealed that the three genes are transcribed as an operon that encodes two eukaryotic-like Ser/Thr kinases (PrkX and PrkY) and a protein phosphatase 2C (PP2C) (PrpZ). / A previous study has shown that the recombinant His-PrpZ protein has all the hallmarks of a PP2C. Typically, PP2Cs hydrolyze phosphoserine and phosphothreonine residues. In addition, His-PrpZ was found to hydrolyze phosphotyrosine residues, making it a dual specificity phosphatase. A subsequent investigation implicates the prpZ gene cluster in S. typhi virulence as the survival of a prpZ operon deletion mutant is compromised after 48 hours of macrophage infection when compared to wild type bacteria. / It is clear from these results that the prpZ operon plays a role in the pathogenesis of S. typhi. To determine the role of these three genes in virulence, an in vitro characterization of PrkY was carried out as well as an examination of the possible physiological roles of PrpZ. / We have demonstrated that PrkY is an active protein kinase capable of phosphorylating artificial substrates in the presence of Mg2+ and/or Mn2+. Optimal phosphorylation of substrates is achieved in the presence of 5mM Mg2+ at pH 8.0. In addition, we have identified a putative interaction between PrkY and PrpZ, leading to an inhibition of the kinase activity of PrkY. While exploring the possible physiological functions of PrpZ, we have found that this protein is secreted by Ty2 S. typhi in both LB and in the low pH, low phosphate and low Mg 2+ LPM medium. / These findings suggest that PrkY and PrpZ may have antagonistic effects in a S. typhi specific virulence pathway involved in the modulation of host cell signaling by secreted bacterial virulence factors.

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