Streptococcus pneumoniae ist die häufigste Ursache für ambulant erworbene Pneumonien weltweit. Daher müssen die Wirts-Pathogen-Interaktionen erforscht werden, um neue Therapiestrategien zu entwickeln. In dieser Studie habe ich 1. den Typ I Interferon (IFN)-stimulierenden Signalweg des angeborenen Immunsystems in Pneumokokken-infizierten Wirtszellen sowie 2. dessen Bedeutung in der Pneumokokkenpneumonie untersucht. Humane und murine Makrophagen, aber nicht alveolare Epithelzellen, produzierten Typ I IFNs nach Infektion mit S. pneumoniae. Dieses war abhängig vom Virulenzfaktor Pneumolysin und erforderte sowohl die Phagozytose der Bakterien als auch die Ansäuerung der Endosomen. Die Induktion der Typ I IFNs wird durch einen zytosolischen Signalweg vermittelt, welcher wahrscheinlich DNA erkennt und sowohl das Adapterprotein STING als auch den Transkriptionsfaktor IRF3 aktiviert. Typ I IFNs, welche von infizierten Makrophagen gebildet wurden, regulierten die Expression von IFN-stimulierten Genen (ISGs) und Chemokinen in Makrophagen und co-kultivierten alveolaren Epithelzellen in vitro und in Mauslungen in vivo. In einem murinen Pneumoniemodell hatten die Typ I IFNs jedoch einen negativen Effekt für den Wirt. Mäuse mit einem Defekt im Typ I IFN-Rezeptor oder mit einem Knockout im Typ I und Typ II IFN-Rezeptor hatten eine signifikant geringere Bakterienlast in der Lunge und eine verminderte Reduktion der Körpertemperatur und des Körpergewichtes als wild-typ Mäuse. Diese Effekte waren nicht durch Änderungen in der Zellrekrutierung oder durch Änderungen der Zytokin-/Chemokinexpression erklärbar. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass Typ I IFNs durch Pneumokokken induziert werden, aber dass sie trotz einiger positiver Effekte auf die Expression von ISGs einen negativen Gesamteffekt in einem murinen Pneumoniemodell aufweisen. Ein detailliertes Verständnis der Typ I IFN-Antwort während der Pneumokokkeninfektion kann die Entwicklung neuer Therapiestrategien unterstützen. / Streptococcus pneumoniae is the leading cause of community-acquired pneumonia world-wide. A detailed understanding of the host-pathogen interactions is required in order to foster the development of new therapeutic strategies. Here, I (I) characterized an innate immune recognition pathway that senses pneumococcal infection and triggers the production of type I interferons (IFNs), and (II) examined the role of type I IFNs in pneumococcal pneumonia in mice. Human and murine macrophages, but not alveolar epithelial cells, produced type I IFNs after infection with S. pneumoniae. This induction was dependent on the virulence factor pneumolysin, the phagocytosis of the bacteria, and the acidification of the endosome. Moreover, it appeared to be mediated by a cytosolic DNA-sensing pathway involving the adaptor molecule STING and the transcription factor IRF3. Type I IFNs produced by S. pneumoniae-infected macrophages positively regulated the expression of IFN-stimulated genes (ISGs) and chemokines in macrophages and co-cultured alveolar epithelial cells in vitro and in mouse lungs in vivo. However, in a murine model of pneumococcal pneumonia, type I IFN signaling was detrimental to the host defense. Mice deficient in the type I IFN signaling or double deficient in type I and type II IFN signaling had a significantly reduced bacterial load in the lung and a diminished reduction of body temperature and body weight compared to wild-type mice. The decreased susceptibility of the knockout mice was unlikely to be attributable to alterations in cell recruitment or cytokine/chemokine production. In conclusion, type I IFNs are induced during pneumococcal infection. However, despite their positive effects on the expression of some ISGs and chemokines, they negatively affect the outcome of pneumococcal pneumonia in an in vivo mouse model. Targeting the type I IFN system could potentially be an effective way in enhancing the immune response in patients with S. pneumoniae pneumonia.

Ziel der Arbeit war es, die regulatorischen Mechanismen von Virulenz-assoziierten Genen in den Pathogenen Francisella novicida und Streptococcus pyogenes zu untersuchen. Kapitel eins befasst sich mit der Regulation des Virulenzfaktors Streptolysin S (SLS) von S. pyogenes. Wir untersuchten die Rolle der Ribonuklease (RNase) Y in der transkriptionellen und posttranstrikptionellen Regulation des Gens sagA. RNase Y begünstigte die Produktion einer kleinen RNA (sRNA) vom sagA Transkript, war jedoch nicht an der posttranskriptionellen Regulierung der sagA RNA beteiligt. Dennoch förderte RNase Y die Transkription von sagA indirekt. Wir konnten weiterhin zeigen, dass die 5′- untranslatierte Region (UTR) der sgaA RNA eine Sekundärstruktur besitzt, die möglicherweise einen Liganden bindet und damit die Zugänglichkeit der ribosomalen Bindungsstelle beeinflusst. Die Deletion einzelner Abschnitte der 5′ UTR hat einen negativen Effekt auf die sagA Expression. Wir haben eine Methode entwickelt um die Aktivität von Riboswitches, (u.a. die sagA 5‘ UTR) zu analysieren und konnten damit drei putative Riboswitches in S. pyogenes validieren. In Kapitel zwei charakterisierten wir den Mechanismus mit dem CRISPR-Cas9 aus F. novicida (FnoCas9) die Expression bakterieller Lipoproteine (BLPs) unterdrückt, um dem Immunsystem des Wirtes zu entgehen. Wir zeigen, dass FnoCas9 eine duale Funktion besitzt, die es dem Protein ermöglicht nicht nur DNA zu schneiden, sondern auch Transkription zu regulieren. In dieser erstmals beschriebenen Aktivität bindet FnoCas9 an den tracrRNA:scaRNA Duplex, wodurch der Protein-RNA Komplex an einen DNA Abschnitt hinter dem Promoter der blp Gene bindet und somit deren Transkription verhindert. Diese Bindungsstelle besitzt ein protospacer-adjacent motif (PAM) und eine scaRNA-komplementäre Sequenz, an die der FnoCas9-RNA Komplex bindet, allerdings nicht schneidet. Dieses System könnte in Zukunft das Repertoire an CRISPR-basierten Anwendungsmöglichkeiten erweitern. / The aim of this thesis was to study regulatory mechanisms of virulence-related genes in the bacterial pathogens Francicella novicida and Streptococcus pyogenes. Chapter one focuses on the regulation of the virulence factor streptolysin S (SLS) in S. pyogenes. First, we investigated the role of the ribonuclease (RNase) Y in the transcriptional and post-transcriptional regulation of SLS-coding gene, sagA. We found that RNase Y promotes the production of a small RNA (sRNA) from the sagA transcript but we observed no regulation at the post-transcriptional level. Yet, RNase Y promotes sagA transcription indirectly and affects hemolysis levels. We next showed that the sagA 5′ untranslated region (UTR) contains a secondary structure that is is possibly modulated by direct binding to a ligand and may affect the accessibility to the ribosomal binding site (RBS). Our results indicate that removing fragments of the 5′ UTR has a negative effect on sagA expression. We developed a method for testing the activity of putative riboswitches, including sagA 5′ UTR. Using this method, we validated three predicted riboswitches in S. pyogenes. In chapter two, we characterized the mechanism by which F. novicida CRISPR-Cas9 (FnoCas9) represses the expression of bacterial lipoproteins (BLPs), allowing evasion of the host immune system. We show that FnoCas9 is a dual-function protein that, in addition to its canonical DNA nuclease activity, evolved the ability to regulate transcription. In this newly-described mechanism, the non-canonical RNA duplex tracrRNA:scaRNA guides FnoCas9 to the DNA target located downstream of the promoter of the BLP-coding genes, causing transcriptional interference. The endogenous targets contain a protospacer-adjacent motif (PAM) and a sequence that is complementary to scaRNA, promoting FnoCas9 binding but not DNA cleavage. Engineering this system expands the toolbox of CRISPR applications by allowing repressing other genes of interest.

Bakterien haben eine Vielzahl an Strategien entwickelt, um sich an ständig wechselnde Umweltbedingungen anzupassen, darunter auch post-transkriptionelle regulatorische Mechanismen. Die Genexpression kann hierbei durch gezielten Abbau oder Stabilisierung von RNA durch Ribonukleasen (RNasen) reguliert werden. RNasen weisen je nach Spezies allerdings unterschiedliche Effekte auf Genexpression und bakterielle Physiologie, sowie verschiedene Strategien der Substraterkennung auf. Dies zeigt, dass unser Verständnis des RNA-Abbaus bei weitem nicht vollständig ist. Ziel dieser Arbeit ist es, die Eigenschaften und Funktionen der endoRNase Y des humanpathogenen Bakteriums Streptococcus pyogenes zu studieren. Um Einblick in Funktion und Spezifität dieser RNase zu gewinnen, wurden deren genomweite Schnittpositionen (“targetome”) mit Hilfe von RNA-Sequenzierung identifiziert. Zur weiteren Analyse des RNase Y-abhängigen RNA-Abbaus wurde dieses Ergebnis mit dem “targetome” der drei 3′-5′-Exoribonukleasen (ExoRNasen) PNPase, YhaM und RNase R verglichen. Schließlich wurden die Anforderungen für die Prozessierung durch RNase Y und deren Rolle in der Regulation von Virulenzgenen in vivo anhand der speB mRNA, die einen wichtigen Virulenzfaktor codiert, untersucht. Wir konnten in dieser Arbeit zeigen, dass RNase Y Substrate bevorzugt nach einem Guanosin schneidet und dieses Nukleosid essenziell für die Prozessierung der speB mRNA in vivo ist. Obwohl RNase Y die speB mRNA schneidet, unterstützen die Daten ein Modell nach dem RNase Y die Expression von speB auf transkriptioneller Ebene reguliert. Mit Hilfe des “targetome”-Vergleichs konnten wir ferner zeigen, dass RNase Y den RNA-Abbau in S. pyogenes initiiert und die dabei generierten 3′-Enden der RNA hauptsächlich von den 3′-5′-exoRNasen PNPase und/oder YhaM prozessiert werden. Zusammenfassend erweitern diese Erkenntnisse unser Verständnis der Funktionalität von RNase Y und des RNA-Abbaus in Gram-positiven Bakterien. / Bacteria have developed a plethora of strategies to cope with constantly changing environmental conditions, including post-transcriptional regulatory mechanisms. With this regard, regulation of gene expression can be achieved by either the rapid removal or stabilization of RNA molecules by ribonucleases (RNases). RNases exhibit species-specific effects on gene expression, bacterial physiology and different strategies of target recognition, indicating that our understanding of the RNA degradation machinery is not yet complete. The aim of this thesis was to investigate the features and functions of endoRNase Y from the strict human pathogen Streptococcus pyogenes. To gain insight into the role and specificity of this RNase, we identified RNase Y cleavage positions (i.e. targetome) genome-wide by RNA sequencing. Next, to investigate the RNA degradation pathway depending on RNase Y, we compared the RNase Y targetome with the ones of the three 3′-to-5′ exoribonuclease (exoRNases), namely PNPase, YhaM and RNase R. Finally, to dissect the requirements for RNase Y processing and to decipher the role of RNase Y in virulence gene regulation, we studied the impact of RNase Y on speB mRNA, encoding a major virulence factor. This study reveals that RNase Y preferentially cleaves RNAs downstream of a guanosine and for the first time we were able to show that the presence of a guanosine residue is essential for the processing of speB mRNA, in vivo. Although RNase Y cleaves the speB mRNA, our data underpin a model in which RNase Y-mediated regulation of speB expression occurs at the transcriptional level. Using the targetome comparative approach, we demonstrated that RNase Y initiates RNA decay in S. pyogenes and that the RNase Y-generated RNA 3′ ends are usually further trimmed by PNPase and/or YhaM. Overall, these findings increase our understanding of RNase Y functionality and RNA degradation in Gram-positive bacteria.

Bakterielle Pneumonien sind weltweit eine der häufigsten Todesursachen und S. pneumoniae ist das häufigste klinische Isolat. Neutrophile Granulozyten gehören zur Klasse der myeloiden Zellen und sind eine wichtige Komponente der angeborenen Immunität gegen bakterielle Infektionen. Krüppel-like factor 4 (KLF4) spielt dabei nicht nur eine Rolle in der Differenzierung der Zellen des Immunsystems, sondern auch während der Infektion bei der Vermittlung inflammatorischer Signale in unterschiedlichen Zelltypen. Diese Studie zeigt zum ersten Mal in vivo, dass myeloides KLF4 Einfluss auf den Krankheitsverlauf hat und die mit einer bakteriellen Pneumonie einhergehende Entzündungsreaktion reguliert. Die hier aufgeführten Ergebnisse demonstrieren, dass der Transkriptionsfaktor KLF4 während einer Pneumokokken Pneumonie in humanen und murinen neutrophilen Granulozyten induziert wird. Diese Induktion ist Zeit- und Dosisabhängig. Außerdem wird die Expression von myeloidem KLF4 durch die Autolyse von S. pneumoniae reguliert, aber nicht über Toll-like Rezeptor 2 (TLR2), TLR4 oder TLR9 vermittelt. Studien in einem Maus-Pneumonie Modell zeigen, dass myeloides KLF4 einen proinflammatorischen Phänotyp bewirkt. Mäuse mit einem KLF4 knockout (KLF4-/-) in myeloiden Zellen haben im Vergleich zu Wildtyp (KLF4+/+) Mäusen eine höhere Bakterienlast in Lunge, Blut und Milz. Obwohl die Produktion proinflammatorischer Zytokine (wie TNF-α, IL-1β und KC) in BALF und Plasma von KLF4-/- Mäusen geringer war, gab es keine Unterschiede bei der Zellrekrutierung in der BALF von KLF4-/- und KLF4+/+ Mäusen. Allerdings war die Zellrekrutierung im Blut der KLF4-/- Mäuse geringer als bei den KLF4+/+ Mäusen. Außerdem wurde eine erhöhte vaskuläre Permeabilität verbunden mit perivaskulären Ödemen und Pleuritis bei KLF4-/- Mäusen während der S. pneumoniae-induzierten Infektion beobachtet. Diese Mäuse erreichten auch eher die humanen Endpunkte als die vergleichbaren KLF4+/+ Mäuse. / Bacterial pneumonia is one of the leading causes of death worldwide. Streptococcus pneumoniae is the most frequently isolated pathogen from clinical pneumonia samples. Neutrophils belong to the class of myeloid cells and forms an important component of this innate immune system against bacterial infections. Krüppel-like factor 4 (KLF4) has been reported to not only play a role in differentiation of cells of the immune system but also in mediating inflammatory signals in different kinds of host cells during infection. This study shows myeloid KLF4 has an impact on pneumococcal pneumonia outcome and regulates the inflammation associated with bacterial pneumonia in vivo in mice. The results presented in the work show that the transcription factor KLF4 is induced in human and mice neutrophils during pneumococcal pneumonia. The induction of KLF4 is time and dose dependent. Additionally, the expression of myeloid KLF4 is regulated by the autolysis of S. pneumoniae but is not mediated via Toll-like receptor (TLR) 2, TLR4 or TLR9. Studies using a mouse pneumonia model showed that myeloid KLF4 exhibits a pro-inflammatory phenotype. Mice with KLF4 knockout (KO) or KLF4-/- in myeloid cells had higher bacterial load in their lungs, blood and spleen in comparison to wildtype (WT) or KLF4+/+ mice. Although there was less pro-inflammatory cytokine (such as TNF-α, IL-1β and KC) production in the broncho-alveolar lavage fluid (BALF) and plasma of KLF4-/- mice yet there no differences in cell recruitment in the BALF of the KLF4-/- and KLF4+/+ mice. There was however less cell recruitment in the blood of KLF4-/- mice in comparison to KLF4+/+ mice. Additionally, an increased vascular permeability associated with perivascular edema and pleuritis was seen during Streptococcus pneumoniae-induced infection in KLF4-/- mice, which also reached earlier the human endpoints than the KLF4+/+ mice.

Die bakterielle Meningitis ist trotz der Anwendung modernster Antibiotika mit einer hohen Letalität und neurologischen Spätkomplikationen verbunden. Ein entscheidendes Ereignis ist dabei der Zusammenbruch der Blut-Hirn-Schranke (BHS). Die genauen Mechanismen, die zu ihrer Schädigung führen, sind bis heute unklar. In dieser Arbeit wurde untersucht, ob lebende Pneumokokken in einem Zellkulturmodell der BHS zu einer apoptotischen Zellschädigung von zerebralen Endothelzellen, als wichtigstem zellulären Bestandteil der BHS, führen und damit zu ihrer strukturellen Schädigung beitragen. Mittels verschiedener Detektionsmethoden (TUNEL, Fluoreszenzmikroskopie, Elektronenmikroskopie) konnte nachgewiesen werden, daß Streptococcus pneumoniae zu einem apoptotischen endothelialen Zelltod führt. Eine Beteiligung von Caspasen konnte weder mit direkter Aktivitätsmessung noch mittels Inhibitionsexperimenten oder dem Nachweis von Caspase-spezifischen Substraten gezeigt werden. Insgesamt sind die Morphologie der Zellkerne und die spezifische Degradation der endothelialen DNS hinweisend für einen Apoptosis-Inducing-Factor-vermittelten Zelltod ohne Caspasenbeteiligung. Diese Form des Zelltodes ist bereits in anderen Zellmodellen, bisher jedoch nicht bei zerebralen Endothelzellen beschrieben worden. Auf Seiten des Bakteriums konnten Wasserstoffperoxid und Pneumolysin als Auslöser der Apoptose identifiziert werden. Die zytotoxische Potenz des Pneumolysins ist dabei an dessen Poren-formende Aktivität gebunden. Die Ergebnisse sind von potentieller klinischer Relevanz, da es bei einer Bakteriämie und während der Invasion der Pneumokokken in das ZNS zu einem direkten Kontakt zwischen Bakterien und zerebralen Endothelzellen kommt und sich daraus eine Möglichkeit zur Entwicklung adjuvanter Therapien ergeben könnte. / Despite sufficient antibiotic treatment, pneumococcal meningitis has remained a disease associated with high mortality and neurological sequelae. The disruption of the blood brain barrier (BBB) is regarded a key event in the initial phase of pneumococcal meningitis. However, the exact molecular mechanisms involved in this process are still unknown. The aim of this study was to determine if living pneumococci are able to induce apoptosis in cerebral endothelial cells - the main cellular component of BBB - and therefore might contribute to its damage. Using several different detection methods (TUNEL, fluorescence and electron microscopy), induction of apoptotic cell death of endothelial cells by pneumococci could be verified. An accompanying activation of caspases was not detectable, despite the use of specific detection techniques such as inhibition experiments, direct enzyme measurements and detection of caspase-specific protein cleavage. These results as well as the specific nuclear morphology and degradation of endothelial DNA suggest an involvement of the mitochondrial protein Apoptosis inducing factor (AIF). This is the first time this specific form of apoptotic, AIF-driven cell death has been described to be engaged in endothelial cells. On the part of the bacterium, pneumolysin and hydrogen peroxide were identified as the two main inducers of apoptosis. The cytotoxic potency of pneumolysin is related to its pore-forming activity. These results are of clinical relevance since pneumococci are known to reside in close proximity to cerebral endothelial cells during bacteriemia and their entry into the CNS. These findings could contribute to the development of adjuvant treatment of bacterial meningitis.