Legionella pneumophila, responsable de la maladie du légionnaire, est une bactérie aquatique parasitant les amibes, mais aussi les macrophages alvéolaires humains. Legionella alterne entre une forme infectieuse non réplicative et une forme réplicative intracellulaire, qui n'exprime pas les facteurs de virulence. Ce cycle de vie biphasique est gouverné par un système de régulation complexe permettant son adaptation dans différents hôtes. Le but de mon projet de thèse était d'étudier un des facteurs clés dans la régulation des ARNm, le régulateur post-transcriptionnel global Hfq. L'expression de Hfq est régulée au cours du cycle infectieux chez L. pneumophila: Hfq est peu exprimée en phase réplicative, mais fortement exprimée lors de la phase de transmission, ce qui suggère un rôle dans la transition entre ces deux phases. J'ai identifié un petit ARN (sRNA) que j'ai nommé Anti-hfq puisqu'il est transcrit dans l'orientation antisens à Hfq et chevauche sa région 5' non traduite (UTR). Mes recherches ont mis en évidence un mécanisme sophistiqué par lequel Anti-hfq régule l'expression de Hfq: Anti-hfq interagit avec l'ARNm du gène hfq par sa région complémentaire et ainsi contrôle la stabilité de la protéine. De plus, j'ai montré que la protéine Hfq auto-réprime sa propre traduction en facilitant l'interaction entre Anti-hfq et son propre ARNm. Finalement, Hfq régule son propre renouvellement par le recrutement de la RNase III. De plus, des tests de réplication intracellulaire ont montré que Hfq et Anti-hfq sont nécessaires pour la multiplication intracellulaire de L. pneumophila, ce qui a mis en évidence un rôle important de Hfq et Anti-hfq dans la virulence de cette bactérie. / Legionella pneumophila, the causative agent of the pneumonia-like Legionnaires’ disease, is commonly found in aquatic habitats worldwide where it multiplies within protozoa. To adapt between intra- and extracellular environments, L. pneumophila evolved a biphasic lifecycle wherein it alternates between an infectious and non replicative form and an intracellular form, which does not express the virulent phenotypes. This biphasic life cycle is governed by a complex regulatory network that comprises transcriptional and post-transcriptional regulatory elements, enabling the bacteria to adapt in diverse hosts. During my Ph.D., I focused my attention of the post-transcriptional regulator Hfq, a hexameric, RNA-binding protein and chaperon of small RNAs (sRNA). The expression of this fascinated protein is life cycle regulated: poorly expressed during the replicative phase of growth, whereas significantly upregulated upon entry into the transmissive phase of growth. Moreover, my research research lead to the identification of a sRNA transcribed antisense to the hfq gene overlapping its 5’UTR region. This antisense RNA, named Anti-hfq, was found to regulate hfq expression by base-pairing complementarity, describing a sophisticated mechanism of regulation. In addition, the Hfq protein controls its own translation by facilitating the interaction between Anti-hfq and its own mRNA. Thus, Hfq regulates its turnover, recruiting the endoribonuclease RNaseIII. Furthermore, infection assays revealed that Hfq and Anti-hfq are necessary for efficient replication of L. pneumophila in amoeba revealing an important role of both in bacterial virulence.

Sous des conditions de croissance particulières, certaines bactéries sont capables d'entrer en état de « compétence » pour la transformation naturelle, c'est-à-dire d'exprimer un ensemble de gènes nécessaires à la mise en place d'un système d'import d'ADN exogène dont l'intégration conduit à une transformation génétique et phénotypique. C'est le cas de Legionella pneumophila, bactérie environnementale et agent étiologique de la légionellose. La transformation naturelle a potentiellement participé à l'évolution du génôme de L. pneumophila.Ainsi, l'objectif premier de cette thèse était de décrire les composants principaux du système de transformation naturelle de L. pneumophila, ainsi que son activation et rôle potentiel dans la relation de la bactérie avec ses hôtes. Des méthodes d'analyse transcriptomique et de mutagénèse dirigée ont permis d'identifier les principaux gènes impliqués dans la mise en place du système de transformation naturelle qui, de façon cohérente avec un rôle adaptatif, ne semble pas impliqué dans la virulence bactérienne. Le système inclut un pilus de transformation, structure fréquemment observée chez les espèces naturellement transformables. Le rôle de la protéine structurale MreB dans le mécanisme de transformation naturelle a également été étudié. En proposant un premier modèle du système de transformation naturelle de L. pneumophila, ces travaux ouvrent la voie à une analyse plus détaillée de la dynamique du système et, plus généralement, à une meilleure compréhension des mécanismes de la transformation naturelle chez les bactéries Gram-négatives / Under certain growth conditions, some bacteria are able to develop a « competence » state for natural transformation, that is, to express a panel of genes involved in the assembly of a DNA uptake system that allows bacteria to take up and recombine free exogenous DNA, leading to a genetic and phenotypic transformation. Natural transformation may have played a role in the evolution of the L. pneumophila genome.Thus, the main objective of this work was to describe the main components of the L. pneumophila DNA uptake system and to investigate its role regarding the host-pathogen interaction. Transcriptomic analysis and directed mutagenesis permitted to identify the main components of the system which is not involved in bacterial virulence. The system include a transformation pilus that is a structure frequently found in transformable species. The role of the structural protein MreB has also been investigated.By describing a first model of the natural transformation system of L. pneumophila, this work paves the way to a deeper analysis of the system dynamics and, more generally, to a better understanding of natural transformation in Gram-negative species

Les souches de Legionella pneumophila sérogroupe 1 ST47 Lorraine sont actuellement responsables d'un nombre croissant de cas de légionelloses particulièrement dans le Nord de l'Europe. Cependant, elles ne sont retrouvées que très rarement dans l'environnement quand des investigations sont menées pour rechercher la source de cas de légionellose. Son environnement naturel reste donc méconnu. Notre objectif était donc d'étudier le phénomène de non détectabilité de la souche ST47 dans l'environnement. Nous avons observé que les traitements pré-analytiques (acidification, chauffage) pouvaient interférer avec les paramètres de culture pour certaines souches Lorraine environnementales, et que le milieu GVPC utilisé dans la norme NF T90-431 n'était pas recommandé pour la recherche des légionelles dans les prélèvements respiratoires, et donc potentiellement dans les prélèvements environnementaux. Ainsi, la PCR spécifique ST47, développée en collaboration avec l'équipe de Tim Harrison (Londres, Royaume-Uni), peut constituer un outil de détection intéressant dans les différentes matrices environnementales pour identifier les réservoirs de la souche. Nous avons cherché à cibler ces réservoirs. Nous avons montré, d'une part, que les robinets pouvaient être des réservoirs potentiels de légionelles. D'autre part, les données clinicoépidémiologiques et géographiques des souches Lorraine ST47 ont montré que les cas survenaient essentiellement hors institution (hôpital, maison de retraite) et principalement dans le quart Nord-Est du pays. L'amélioration des connaissances clinico-épidémiologiques et l'utilisation de la PCR spécifique ST47 devraient permettre, en s'affranchissant ou en améliorant les paramètres culturaux, d'identifier les réservoirs environnementaux de cette souche / The recently identified strains of Legionella pneumophila serogroup 1 belonging to Sequence Type (ST) 47 and pulsotype Lorraine are now responsible for an increasing number of Legionnaires’ disease (LD) cases mainly in the North of Europe. The major paradox is that ST47 strains are extremely rarely detected in environmental samples when investigations to identify the source of ST47 associated LD cases are undertaken. Thus its environmental habitat is unknown. The aim of our work was to study the non-detectability of this strain in environmental samples. Firstly, we have observed that pre-treatments (heat, acid) could interfere with recovery of an environmental ST47 Lorraine strain, and secondly, that GVPC medium imposed by the French standard NF T90-431, was not recommended for detection of Legionella spp. In clinical samples and potentially in environmental samples. Thus, to detect and identify ST47 Lorraine strains from clinical and ultimately, environmental samples in order to find the potential source of infection, we developed a strain specific realtime PCR method, in collaboration with Tim Harrison’s team (London, United Kingdom). We have also sought to target these sources. Then, we have shown that L. pneumophila could be detected in aerosols of a tap water. Moreover, epidemiologic French data have demonstrated that most of the LD cases associated with ST 47 strains occurred mainly in North East and were mainly community-acquired. Improved epidemiologic knowledge and the use of the strain specific real-time PCR should enable identification of environmental sources of ST47 Lorraine strain without culturing

Legionella pneumophila est un pathogène opportuniste avec un cycle de vie intracellulaire obligatoire, ils arrivent à se répliquer dans leurs cellules hôtes comme des protozoaires, en exploitant les protéines et les voies de signalisation de l’organisme infecté pour échapper à sa réponse immunitaire. L. pneumophila est décrite comme un organisme sans oscillations circadiennes, pourtant elle possède des gènes homologues aux gènes circadiennes kaiBC de cyanobactéries. En appliquant un système d’infections in vitro et in vivo ainsi qu’une approche de génomique comparative et fonctionnelle sur l’ organisme modèle Legionella pneumophila mon projet a pour objectif de caractériser le rôle des gènes kaiBC de L. pneumophila. Les protéines KaiABC de cyanobactéries encodent un oscillateur circadien permettant la coordination et l’optimisation temporelle de divers processus biologiques ainsi que l’adaptation aux fluctuations quotidiennes (comme la production d’oxygène via la photosynthèse pendant le jour et la fixation d’azote dans l’obscurité). Notre étude montre que kaiC, kaiB, avec le lpp1114 (codant pour une protéine à plusieurs domaines), l’ensemble constitue une unité transcriptionnelle sous la commande du facteur sigma RpoS. Les souches mutantes de l'opéron kai affichent une haute sensibilité sous conditions de stress par le paraquat ou le sel en comparaison avec la souche sauvage. En effect, nos données provenant d’une expérience utilisant des systèmes de double hybride suggèrent que les proteines KaiC et KaiB de L. pneumophila n’interagissent pas comme ceux de cyanobactéries. Cependant, une version étendue de L. pneumophila KaiB contenant des résidus de C-terminal de T. elongatus est capable d’interagir avec KaiC. Nous démontrons aussi que la structure cristalline de KaiB de L. pneumophila révèle un pliage pareil a ceux de thiorédoxine (protéine d'oxydoréduction) mais manque les résidus de l'extrémité C-terminale important pour l'interaction avec KaiC. En revanche, L. pneumophila KaiC conserve l'activité d'autophosphorylation, mais KaiB ne declénche pas la phosphorylation de KaiC comme chez les cyanobacteries. L'analyse phylogénétique des protéines de Kai indique qu'elles ont été transférés à L. pneumophila et ont évolué de Synechosystis KaiC2B2 et pas du copie circadienne KaiB1C1. Il semble que les protéines Kai de L. pneumophila améliorent son adaptation à des conditions stressantes et aux changements environnementaux. / Legionella pneumophila is an opportunistic pathogen with an intracellular life cycle that uses aquatic protozoa as replication niche and protection from harsh environments. Although L. pneumophila is not known to have a circadian clock, it encodes homologues of the KaiBC proteins of Cyanobacteria that regulate circadian gene expression. By using a wide range of in vitro, in vivo and in silico approaches I characterized the KaiB and KaiC proteins of L. pneumophila The proteins KaiABC of cyanobacteria coordinate a circadian oscillator that regulates many physiological functions in the cells according to the day and the night time induce by the rotation of the Earth (e.g. they do photosynthesis during the day and nitrogen fixation during the night). We show that L. pneumophila kaiB, kaiC and the downstream gene lpp1114, are transcribed as a unit under the control of the stress sigma factor RpoS. Mutant analyses revealed that the kai operon-encoded proteins increase fitness of L. pneumophila in competitive environments, and confer higher resistance to oxidative and sodium stress. Indeed, KaiC and KaiB of L. pneumophila do not interact as evidenced by yeast and bacterial two- hybrid analyses. Fusion of the C-terminal residues of cyanobacterial KaiB to Legionella KaiB restores their interaction. The crystal structure of L. pneumophila KaiB suggests that it is an oxidoreductase-like protein with a typical thioredoxin fold. In contrast, KaiC of L. pneumophila conserved autophosphorylation activity, but KaiB does not trigger the dephosphorylation of KaiC like in Cyanobacteria. The phylogenetic analysis indicates that L. pneumophila KaiBC resemble Synechosystis KaiC2B2 and not the circadian KaiB1C1 copy. Thus, the L. pneumophila Kai proteins do not encode a circadian clock, but enhance stress resistance and adaption to changes in the environments.

Rapporten är sammanställd av två kandidatstudenter vid Kungliga tekniska högskolan på högskoleingenjörsprogrammet Byggteknik och design, i samarbete med Säker Vatten AB. Efter tre års studier är detta en examinerande rapport för utbildningen. Rapporten är ämnad för alla typer av läsare, men utan byggingenjörsexamen likt vår, eller med motsvarande kunskapsnivå så kan läsare uppfatta rapporten som svårläst. Metoden för rapporten har varit så att författarna kontinuerligt intervjuat aktörer med olika intressen för hur branschen utvecklar sig. Aktörerna i fråga har alla mångårig erfarenhet eller en relevant utbildning bakom sig. Litteraturstudier har gjorts av föreskrifter, standarder, normer och rapporter som behandlar boendesprinkler, rörförläggningar, legionella och vattenskador. Tolkningar och utförande av detta baseras på kunskap som införskaffats som ingenjörsstudenter under utbildningens gång, allt för att så nyanserat som möjligt närma sig svaret på rapportens problemformulering: ”Hur ska boendesprinkler projekteras och installeras för att undvika vattenskador och tillväxt av legionella?” Som huvudsyfte har arbetet inneburit att fokusera på problemformuleringen. Problemformuleringen har i sin tur fördelats i tre frågor där varje fråga berört olika verksamheter och organisationer i branschen. Frågan specificerar vattenskadorna som kan      uppkomma i samband med boendesprinkler. För att besvara den frågan har      relevanta avsnitt i BBR, standarden SS 883001 samt branschregler Säker      Vatteninstallation studerats. Frågan hanterar tillväxten av legionella i      boendesprinkleranläggningar. Här har myndigheter och branschorganisationer      såsom Smittskyddsinstitutet, Svenskt vatten och Stockholm Vatten varit      till stor hjälp. Frågan har behandlat vilka krav som ställs på de      som projekterar och installerar boendesprinkler idag. Utgångspunkten för      fråga tre har varit normer från Svenska Brandskyddsföreningen som      behandlar boendesprinkler, samt VVS-Företagens och Sprinklergruppens      utbildning för sprinklermontörer. Förhoppningen är att den här rapporten ska fungera som underlag för skrivande av branschregler för projektering och installation av boendesprinkler. Branschregler som säkerställer att vattenskador och tillväxt av legionella undviks.  Med korrekta branschregler så bör förståelsen för boendesprinkler och dess effekt öka. Antalet boendesprinkleranläggningar bör då också öka, vilket skulle resultera i ett mer brandsäkert Sverige. / The report was compiled by two graduate students at the Royal Institute of Technology, Bachelor of Science program Constructional Engineering and Design, in collaboration with Säker Vatten AB. After three years of study, this is a graded report for our education. This report is intended for all types of readers, but without education like ours, or equivalent level of knowledge, the report may be difficult to understand. The methodology for this report is that the authors continually interviewing actors with different interests in how the industry develops. The players in question all have many years of experience or relevant training behind. Studies of literature have been made of regulations, codes, standards, and reports dealing with residential sprinklers pipe laying, legionella and water damage. Interpretations and execution of this is based on the knowledge acquired as engineering students during their education, all to approach an answer so nuanced as possible to the problem report:" How should residential sprinklers be designed and installed in order to avoid water damage and legionella growth?” As the main work has meant to focus on the problem statement, which in turn is divided into three questions, each question touched on various businesses and organizations in the industry. This question specifies      the water damage which may arise in connection with residential      sprinklers. To answer that question, the relevant section of BBR, the      standard SS 883001, as well as industry regulations plumbing safety      studied. This question handles the      growth of legionella in residential sprinklers. Here are authorities and      industry organizations such as the Infectious Diseases Institute, Swedish      Water and Stockholm Water were a great help. This question has dealt      with the demands placed on the projecting and installing of residential      sprinklers today. The starting point for question number three were      standards from Swedish Fire Protection Association which deals with      residential sprinklers, and training for installers of sprinkler. This report will hopefully serve as a basis for the writing of industry regulations for design and installation of residential sprinklers. Industry regulations which will ensure that water damage and the growth of Legionella will be avoided. With proper industry regulations will the understanding of residential sprinklers and its effect increase. The number of residential sprinkler installations should then also increase, which would result in a more fireproof Sweden.

Legionella pneumophila est responsable d'une forme de pneumonie, la legionellose ou de maladie du légionnaire. Entre 2012 et 2015, les cas annuels ont grimpé de 5848 à 7069 en Europe, la France, l’Allemagne, l’Italie et l’Espagne correspondant à 69% du total. De façon inquiétante, la mortalité était de 8,2% faisant de cette maladie un réel enjeu de santé publique. Un facteur de virulence produit par cette bactérie est la protéine RtxA (~700 kDa) de la famille des protéines RTX (Repeats in ToXin) sécrétée via un système de sécrétion de type 1. Dans ce travail, in vitro, la protéase périplasmique LapG clive la partie N-terminale de RtxA au sein d'un motif di-alanine (position 108-109). La construction de mutants déficients dans l’expression de LapG et LapD a révélé une localisation de RtxA sous le contrôle de ces deux protéines, mécanisme semblable au modèle LapA décrit chez P. fluorescens. Un mutant lapG maintient RtxA à la surface de cellules, à l’opposé d’un mutant ?lapD. Nous avons identifié des systèmes homologues T1SS/LapDG dans de nombreuses espèces Legionella ainsi que d’autres gammaproteobactéries. Concernant la virulence de L. pneumophila, les mutants déficients pour le T1SS (lssBD/tolC) étaient plus altérés dans leur virulence que des mutants du système LapDG. Nous avons également montré, grâce à des expériences de compétition, que L. pneumophila semble cibler les cellules hôtes via la protéine RtxA. L’utilisation d’anticorps spécifiques anti-RtxA nous a permis de détecter RtxA à la surface des cellules hôtes, mais aussi de réduire de la virulence de L. pneumophila, suggérant un rôle important de RtxA lors du processus d’infection, bien que non limitant / Legionella pneumophila is the causative agent of a form of pneumonia called legionellosis or Legionnaires’ disease. Between 2012 and 2015, the reported European cases of legionellosis increased from 5,848 to 7,069 cases per year where France, Germany, Italy and Spain accounted for 69% of the reported cases. Worryingly, the case fatality of incidents was 8.2% making this disease a considerable health concern. One virulence factor produced by this bacterium is a large protein (~700 kDa) belonging to the RTX (Repeats in ToXin) family called RtxA secreted by the type 1 secretion system. The hereby work reveals that, in vitro, LapG periplasmic protease cleaves RtxA N-terminus in the middle of a di-alanine motif (a.a. 108-109). We also show using lapG and lapD mutant strains, that RtxA release is controlled by these two proteins similar to Pseudomonas fluorescenes LapA. We observed that a strain lacking LapG protease maintains RtxA on the cell surface, while a strain lacking LapD does not exhibit cell surface RtxA. Interestingly, we identified the presence of homologous potential T1SS/LapDG systems in many Legionella species and other Gammaproteobacteria. Regarding L. pneumophila virulence, our work showed that mutants for L. pneumophila T1SS (lssBD/tolC) were more disruptive to its virulence than lapG/lapD mutants. We also hypothesize, by challenging infection, that L. pneumophila might be actively targeting its host via RtxA. Additionally, by observing rtxA mutants as well as detecting RtxA on host surface briefly after inoculation and attenuating virulence by using anti RtxA antibodies, we assume an important but not limiting role for this protein in the infection process

Legionella pneumophila ist ein Gram-negatives, ubiqitär verbreitetes Proteobakterium, das als Auslöser der Legionärskrankheit gilt. Die Ergebnisse dieser Arbeit bestätigen, dass Serin eine wichtige Kohlenstoffquelle für Aminosäuren darstellt und dass L. pneumophila für die Aminosäuren Isoleucin, Leucin, Phenylalanin, Tyrosin, Histidin, Prolin und Valin auxotroph ist. Innerhalb der Replikationsvakuole greift L. pneumophila auf Aminosäuren des Wirts zurück und inkorporiert diese in Proteine. Die untersuchte Spezies besitzt die Fähigkeit zur de novo-Biosynthese von Serin. Die vorliegende Arbeit zeigt zudem erstmals, dass Glukose für die Biosynthese von Aminosäuren sowie Polyhydroxybutyrat (PHB) verwendet wird. Der Entner-Doudoroff-Weg (EDW) kann als Haupt-Katabolismusroute von Glukose identifiziert werden. Ein Deletionsstamm des EDW zeigt gegenüber dem Wildtypstamm in nährstoffarmer Umgebung deutlich verminderte Fitness nach erfolgreicher Replikation innerhalb A. castellanii. Die Glukoamylase GamA wird in dieser Arbeit erstmals als verantwortliches Enzym für die Stärke- und Glykogenhydrolyse von L. pneumophila charakterisiert. Der putative Transkriptionsaktivator YozG bindet sowohl im 5’-DNA-Bereich von gamA als auch im eigenen putativen Promotorbereich und reguliert die Hydrolyseaktivität von GamA. Es werden zudem Argumente für die Hypothese erbracht, dass YozG auch als cis-aktives Element fungiert. Die Biosynthese von Polyhydroxybutyrat (PHB) aus Glukose findet während des spät-exponentiellen Wachstums statt und steigert sich in der stationären Phase. Eine verminderte PHB-Menge im EDW-Deletionsstamm wird als Erklärung für die verminderte Fitness in nährstoffarmer Umgebung diskutiert. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass L. pneumophila neben Aminosäuren auch Glukose sowie die natürlich vorkommenden Glukosepolymere Glykogen und Stärke als Kohlenstoffquellen zur Biosynthese von Aminosäuren und PHB nutzt und dass diese Synthese zur Fitness der Spezies beiträgt. / Legionella pneumophila is a Gram-negative proteobacterium causing Legionnaires’ disease. The results of this study confirm that serine is a carbon source for amino acids and that L. pneumophila is auxotrophic for the amino acids isoleucine, leucine, phenylalanine, tyrosine, histidine, proline, and valine. L. pneumophila uses amino acids of the host cells to incorporate them into proteins. Serine is synthesized de novo. Furthermore, this work demonstrates for the first time that glucose is used for the biosynthesis of amino acids and polyhydroxybutyrate (PHB). The Entner-Doudoroff pathway is identified as the predominant pathway for the catabolism of glucose. In a nutrient-depleted environment, after replication has taken place in A. castellanii, a deletion strain of the Entner-Doudoroff pathway exhibits strongly reduced fitness as compared to the wildtype. The glucoamylase GamA is characterized as the enzyme responsible for the starch and glycogen degrading activity of L. pneumophila for the first time. The putative transcription activator YozG binds to the 5’ region of gamA as well as to his own putative promoter region and regulates GamA activity. Furthermore, arguments are provided to support the hypothesis that YozG also acts as a cis-active element. The biosynthesis of polyhydroxybutyrate (PHB) from glucose starts in the late exponential phase and increases in the stationary growth phase. As an explanation for reduced fitness of the Entner-Doudoroff deletion strain in nutrient-depleted environment, a reduced amount of PHB is proposed. The results of this work prove that L. pneumophila uses not only amino acids but also glucose and the natural glucose polymers starch and glycogen as carbon sources for the biosynthesis of amino acids and PHB and that thereby the fitness of the species is increased.

L. pneumophila, der Erreger der Legionärskrankheit, kodiert für eine Vielzahl lipolytischer Enzyme. Bis zu 17 verschiedenen Proteinen kann aufgrund von Sequenzhomologien oder experimenteller Analyse phospholipolytische Eigenschaft zugeschrieben werden. Neben sekretierten Formen wird eine besonders aktive zell-assoziierte Variante exprimiert, die Phospholipase A/Lysophospholipase A PlaB. Wie bereits gezeigt werden konnte, kodiert das plaB Gen für die hauptsächliche membranständige Phospholipase A von L. pneumophila mit Enzymaktivitäten, die die Aktivität sekretierter Proteine um das 100-fache übersteigen. Da PlaB zu keiner der bisher beschriebenen Phospholipasen Homologien aufweist, wurden in dieser Arbeit durch gezielte Mutagenese die katalytisch wichtigen Aminosäuren identifiziert. Dies ergab, dass PlaB zwar eine für Lipasen und Proteasen typische katalytische Triade aus Serin, Asparat und Histidin ausbildet, die umliegenden Motive sich aber deutlich von bisher beschriebenen Enzymklassen unterscheiden. Somit stellt PlaB das erste näher charakterisierte Mitglied einer neuen Familie phospholipolytischer Enzyme dar. Im Weiteren konnten für die Substratspezifität wichtige Aminosäurereste identifiziert werden. Dabei stellte sich heraus, dass die Fähigkeit zur Hydrolyse von cholinkettentragenden Substraten besonders suszeptibel gegenüber Mutationen war. Da im Vergleich zu nicht-pneumophila Stämmen, wie z. B. L. spiritensis, nur L. pneumophila in der Lage war, diese Lipide in hohem Maße umzusetzen, kann die Eigenschaft von PlaB, Phosphatidylcholin (PC) zu hydrolysieren, einen Virulenzvorteil für L. pneumophila bedeuten. Die Hypothese konnte durch Hämolyse-experimente bestärkt werden. Hier zeigten sich Mutanten mit reduziertem Potential zur Hydrolyse von PC weniger zytotoxisch gegenüber humanen Erythrozyten. Das zell-zerstörende Potential von PlaB könnte somit eine enorme Auswirkung auf die Virulenzeigenschaften von L. pneumophila haben. Wie in der vorliegenden Arbeit untersucht, bestätigten in vitro Experimente, dass PlaB die hauptsächliche Aktivität während einer Makrophageninfektion darstellt, die Deletion des Gens aber keine Auswirkungen auf das Replikationspotential der Bakterien hat. Ganz im Gegenteil dazu waren plaB Insertionsmutanten bei der Infektion von Meerschweinchen in ihrer Vermehrungsfähigkeit in der Lunge als auch in der Verbreitung der Erreger zur Milz der Tiere reduziert. Um den Grund des Defektes näher zu erörtern, wurde in einem Screen auf 40 verschiedene Entzündungsmediatoren die Sekretion von IL-8, MCP-1, RANTES und TIMP-2 als PlaB-abhängig identifiziert. Somit repräsentiert die zell-assoziierte Phospholipase A, PlaB, von L. pneumophila eine neue Klasse lipolytischer Enzyme und kann durch Hydrolyse eines breiten Substratspektrums, insbesondere durch Hydrolyse von PC, die Vermehrung und Verbreitung des Erregers im Wirtsorganismus unterstützen. / L. pneumophila, the causative agent of Legionnaires’ disease (LD) expresses numerous lipolytic enzymes. According to sequence homology or determined lipolytic activities, up to 17 open reading frames of the L. pneumophila genome may encode functional phospholipases. In addition to secreted and/or injected lipolytic enzymes, it was shown that the pathogen expresses a highly active and membrane-bound phospholipase A/lysophospholipase A with hemolytic activity, designated PlaB. As PlaB does not belong to any established bacterial or eukaryotic protein family of lipolytic enzymes nor does it show sequence homology to conserved motifs harboring the catalytically important amino acids, we analyzed putative catalytic centers using site-directed mutagenesis. This study shows that PlaB exhibits a catalytic triad of serine, aspartate and histidine residues, most commonly found within lipolytic and proteolytic enzyme families. However, surrounding motifs differ significantly from described ones. Thus, PlaB is the first representative of a new class of lipolytic enzymes. In addition, we described amino acids important for substrate specificity, revealing that the ability to hydrolyze phosphatidylcholine (PC) is severely susceptible to various mutations. Since PlaB of non-pneumophila strains, such as L. spiritensis, express comparable activities against glycerol-containing lipids, but are reduced in their hydrolytic potential to cleave choline-containing substrates, PC-targeting activity could be an important contribution to the pathogenicity of L. pneumophila, the most common cause of LD. The hypothesis was underlined by reduced hemolytic potential of L. spiritensis PlaB and PC-hydrolysis impaired mutants of L. pneumophila PlaB and is in accordance with PC being the major lipid in the outer leaflet of eukaryotic membranes. The cell destructive properties of PlaB may enhance bacterial pathogenicity in multiple ways. As depicted within this study, PlaB represents the major lipolytic activity present throughout host cell infections; however, gene deletion mutants retained their ability to multiply within several host cell infection systems. On the contrary, the plaB mutant strain was inhibited in replicating in the lung and disseminating to other organs in a guinea pig infection model. To elucidate the impact of PlaB on Legionella virulence we investigated 40 inflammatory factors secreted by lung epithelial cells upon Legionella infection and observed that IL-8, MCP-1, RANTES and TIMP-2 are released in a PlaB-dependent manner. Thus, PlaB represents a new family of lipolytic enzymes which could, according to the lipolytic profile and especially the ability to hydrolyse PC, contribute to replication and dissemination properties of a pathogen within a host cell, e.g. amoeba, or even more complex organisms such as guinea pigs or humans.

Das Bakterium Legionella pneumophila vermehrt sich in Alveolarmakrophagen und kann zu einer Pneumonie, der Legionärskrankheit, führen. Phospholipasen können zur bakteriellen Pathogenität beitragen, indem sie den Wirt durch Zerstörung von Lipidstrukuren schädigen, oder über die Generation von „second messengern“ immunmodulatorisch wirken. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die prominenteste zell-assoziierte und hämolytische Phospholipase A/Lysophospholipase A (PlaB) von L. pneumophila Corby charakterisiert und auf eine mögliche Virulenzassoziation hin untersucht. Die Bestimmung des Transkriptionsstartpunktes von plaB ermöglichte die Identifikation einer möglichen sigma70-Bindungsstelle. Die Transkriptionsrate ist relativ gering und nimmt zur stationären Phase hin ab, das Enzym ist vorwiegend exponentiell aktiv. Enzymatisch aktives PlaB-Protein ist zumindest zum Teil auf der oberflächenexponierten Seite der äußeren Membran lokalisiert. Der Transport des PlaB-Proteins ist nicht vom Tat-abhängigen Transport oder den Sekretionssystemen des Typ I, II oder IVB abhängig. Im Meerschweinchenmodell konnte eine Virulenzassoziation von PlaB nachgewiesen werden. PlaB-defiziente Bakterien zeigten eine geringere Replikationsrate in den Lungen und eine verminderte Kolonisierung der Milz. Vergleichende histologische Studien zeigten eine schwächer ausgeprägte Inflammation und Zerstörung der Lungen nach Infektion mit der plaB-Mutante. Somit handelt es sich bei PlaB um ein innerhalb der Spezies Legionella sehr weit verbreitetes Protein, welches in L. pneumophila Corby vorwiegend vor dem Eintritt in die stationäre Phase exprimiert wird. Enzymatisch aktives PlaB-Protein ist an der oberflächenexponierten Seite der äußeren Membran zu finden und spielt eine wichtige Rolle bei der Entstehung der Legionellen-Pneumonie. / The bacterium Legionella pneumophila replicates inside of alveolar macrophages and causes a severe pneumonia, the Legionnaires` disease. Bacterial phospholipases are well known virulence factors. Some cause cell lysis by pore formation, others generate second messengers and modulate the inflammatory response of the host. The aim of this work was to further characterize the major cell-associated hemolytic phospholipase A/lysophospholipase A activity (PlaB) of L. pneumophila Corby and to investigate a possible role of PlaB as virulence factor. Determination of the transcriptional start site of plaB allowed the identification of a possible sigma70-binding site. The transcription rate is relatively weak and decreases from exponential to stationary phase and enzymatic activity is most prominent in the exponential growth phases. Enzymatically active PlaB-protein is at least in parts localised on the surface-exposed side of the outer membrane. Studies with mutants of the Tat-dependent pathway and the type I, II, IVB secretion systems showed that these pathways are not involved in secretion of the PlaB-protein. Infection of guinea pigs revealed that PlaB plays an important role in proliferation of the bacteria in the lungs and dissemination to the spleen. Comparative histological studies revealed a less extensive inflammation and destruction of the lungs infected with the plaB-mutant strain. In summary, this work revealed that PlaB is a protein which is widespread within Legionella species. In L. pneumophila Corby, it is primarily expressed and active before stationary phase. Enzymatically active PlaB-protein is at least in parts located at the surface-exposed side of the outer membrane and contributes to the establishment of Legionnaires` disease.

Der Austausch von genetischem Material über horizontalen Gentransfer, stellt einen wichtigen Mechanismus in der bakteriellen Evolution dar. Legionella pneumophila Stämme codieren für verschiedene Typ IV Sekretionssysteme (T4SS) und integrative konjugative Elemente, die zur genomischen Variabilität der intrazellulären Erreger beitragen. L. pneumophila Corby codiert auf der genomischen Insel Trb-1 für ein funktionelles Konjugations- und T4ASS. Trb-1 ist innerhalb des tRNAPro Gens integriert und kann in einer chromosomalen oder zirkulären episomalen Form existieren. Zusätzlich zu den trb/tra Genen sind auf der Insel eine Integrase (int-1) und die Gene lvrRABC der Legionella vir Region (lvr) lokalisiert. Durch die Deletion von int-1 konnte gezeigt werden, dass die Exzision von Trb-1 unter Beteiligung der Integrase erfolgt. Zudem wurde in dieser Arbeit zum ersten Mal demonstriert, dass die lvr-Region, vor allem der putative Phagen-Repressor LvrR an der Regulation der Exzision von Trb-1 beteiligt ist. Die Konjugation von Trb-1 in L. oakridgensis, hatte keinen Effekt auf die in vivo Fitness der Transkonjuganten in humanen Makrophagen. Die genomischen Inseln LpcGI-1 und LpcGI-2 codieren für ein neues putatives GI-T4SS. Für LpcGI-2 konnte erstmals gezeigt werden, dass das T4SS funktionell ist und die Konjugation der genomischen Insel in einen anderen L. pneumophila Stamm vermitteln kann. LpcGI-2 kann anschließend ortsspezifisch in das Genom der Transkonjuganten integriert werden. LpcGI-1 und LpcGI-2 werden vom tRNAThr bzw. tRNAMet Gen flankiert und können in verschiedenen chromosomalen und zirkulären, episomalen Formen existieren. Die Exzision von LpcGI-2 erfolgt ähnlich zu Trb-1, in Abhängigkeit einer ortsspezifischen Integrase. Im Genom von Lp Corby wurden zwei weitere genomische Inseln (LpcGI-Asn und LpcGI-Phe) identifiziert. In silico Analysen zeigten zudem, dass genomische Inseln mit einer Ähnlichkeit zu Trb-1, LpcGI-2 bzw. LpcGI-1 im Genus Legionella verbreitet sind. / Exchange of genetic information by horizontal gene transfer is an important mechanism for the evolution of bacterial genomes. Legionella pneumophila strains encode different type IV secretion systems and integrative conjugative elements contribute to the variability of the intracellular pathogen. The genomic island Trb-1 of L. pneumophila Corby encodes a functional conjugation and T4ASS. Trb-1 is integrated within the tRNAPro gene and can exist in a chromosomal or an episomal circular form. In addition to the trb/tra genes, a site-specific integrase (int-1) and a Legionella vir region (lvrRABC) are also localized on the genomic island. By deleting the int-1 gene, it could be demonstrated that the excision and of Trb-1 is integrase dependent. Furthermore, in this work it was shown for the first time that the lvr region and especially the putative phage repressor LvrR, is involved in the regulation of Trb-1 excision. Conjugation of Trb-1 in L. oakridgensis does not influence the in vivo fitness of the transconjugants in human macrophages. The genomic islands LpcGI-1 and LpcGI-2 encode a new putative T4SS. For the first time it could be demonstrated, that the T4SS localized on LpcGI-2 is functional. Although LpcGI-2 could be mobilized and transferred via conjugation to another L. pneumophila strain, followed by the site-specific integration into the genome of the transconjugants. LpcGI-1 and LpcGI-2 are flanked by the tRNAThr or tRNAMet gene respectively. Both islands can exist in different chromosomal and episomal forms. The excision of LpcGI-2 occurs similar to Trb-1 in an integrase dependent manner. Two additional genomic islands (LpcGI-Asn and LpcGI-Phe) could be identified in the genome of Lp Corby. Moreover, data of the in silico analysis demonstrated, that genomic islands similar to Trb-1, LpcGI-2 and LpcGI-1 are distributed within the genus Legionella.