Neisseria meningitidis, a commensal β-proteobacterium residing exclusively in the human nasopharynx, is a leading cause of sepsis and epidemic meningitis worldwide. While comparative genome analysis was able to define hyperinvasive lineages that are responsible for most of the cases of invasive meningococcal disease (IMD), the genetic basis of their virulence remains unclear. Recent studies demonstrate that the type II C CRISPR/Cas system of meningococci is associated with carriage and less invasive lineages. CRISPR/Cas, an adaptive defence system against foreign DNA, was shown to be involved in gene regulation in Francisella novicida. This study shows that knockout strains of N. meningitidis lacking the Cas9 protein are impaired in the adhesion to human nasopharyngeal cells in a strain-dependant manner, which constitutes a central step in the pathogenesis of IMD. Consequently, this study indicates that the meningococcal CRISPR/Cas system fulfils functions beyond the defence of foreign DNA and is involved in the regulation of meningococcal virulence. / Neisseria meningitidis, ein ß-Proteobakterium, welches als Kommensale ausschließlich den humanen Nasopharynx besiedelt, ist ein weltweit führender Verursacher von Sepsis und epidemischer Meningitis. Auch wenn mittels vergleichender Genomanalysen hyperinvasive Stämme definiert werden konnten, welche für die meisten Fälle von invasiven Meningokokkenerkrankungen verantwortlich sind, bleibt die genetische Grundlage ihrer Virulenz ungeklärt. In vorangegangenen Studien konnte gezeigt werden, dass das Typ II-C CRISPR/Cas-System der Meningokokken assoziiert ist mit Trägerstämmen. CRISPR/Cas ist ein adaptives Verteidigungssystem der Bakterien gegen fremde DNA, das darüber hinaus Aufgaben in der Genregulation von Francisella novicida erfüllt. Diese Arbeit zeigt, dass knockout Stämme von N. meningitidis, denen das Cas9-Protein fehlt, in Abhängigkeit von ihrem genetischen Hintergrund die Fähigkeit verlieren an Zellen des menschlichen Nasopharynx zu adhärieren. Die Adhäsion an den Wirtszellen stellt einen zentralen Schritt in der Pathogenese der invasiven Meningokokkenerkrankungen dar. Die Ergebnisse dieser Arbeit deuten darauf hin, dass das CRISPR/Cas-System in Meningokokken neben seiner Funktion als bakterielles Immunsystem an der Regulation der bakteriellen Virulenz beteiligt sein könnte.

Neisseria meningitidis infection in humans usually manifests as meningitis and septicemia with skin manifestations. Infections of the respiratory tract with N meningitidis have been documented in the past, but often this organism is not routinely considered in the differential diagnosis of pneumonia. The pathogenic role of N meningitidis in lower respiratory tract infections may be underestimated because its isolation is difficult, particularly when oropharyngeal flora are present. We profile 2 elderly patients with primary meningococcal pneumonia to show the importance of Gram stain and culture in early diagnosis. These modalities helped guide treatment and prophylactic measures.

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Untreatable gonorrhea, caused by fully antimicrobial resistant Neisseria gonorrhoeae (GC), is a major global health threat. While a vaccine would greatly help address this crisis, development of a GC vaccine is complicated by the lack of lab models of symptomatic gonorrhea. We hypothesized that overt disease in animal models of gonorrhea is limited by the human-restriction of gonococcal virulence factors, and the impact of the reproductive hormone cycle (estrus and diestrus phases). We tested these hypotheses by examining the host response to infection in transgenic mice expressing targets of bacterial adhesion, human carcinoembryonic antigen-related cell adhesion molecules (hCEACAMs), in uterine versus vaginal infections, and in different phases of the reproductive cycle (estrus and diestrus phases). hCEACAM expression most impacted estrus phase infections, prolonging colonization in vaginal infection and inducing greater inflammation in uterine. Reproductive phase greatly influenced host response to uterine infection as diestrus infection was more inflammatory than estrus. Phase differences in uterine infection were driven by greater activation of a chemokine-centric common anti gonococcal response and unique induction of type 1 interferons in diestrus. These findings suggest that symptomatic uterine and vaginal GC infection can be modeled by transcervically infected wild-type diestrus mice and transgenic, vaginally-infected estrus mice, respectively. A novel approach to GC vaccine development is also needed. Mono-antigenic vaccines have failed to produce immunity suggesting a poly-antigenic antigen, like natural outer membrane vesicles (nOMVs) may be necessary. It has been shown that any GC vaccine must lack the bacterioprotective antigen, reduction modifiable protein (RMP), and no such nOMV has been previously described. Here we report successful isolation of RMP-deficient nOMVs through sequential size and weight restrictive filtration. Vesicle morphology, proteomics, and bioactivity was characterized via various methods. nOMVs were found to be consistent in size, shape and antigenic load. As antigens, nOMVs induced high serum titers and measurable vaginal levels of antigen and GC specific IgG that recognized several nOMV immunogens supporting the vaccine potential of GC nOMVs. These findings lay the groundwork for protective studies of nOMV vaccines in novel models of active gonorrhea moving the field closer to discovering the mechanism of protective anti-gonococcal immunity.

Chlamydia trachomatis (Ct) is an obligate intracellular human pathogen. It causes blinding trachoma and sexually transmitted disease such as chlamydia, pelvic inflammatory disease and lymphogranuloma venereum. Ct has a unique biphasic development cycle and replicates in an intracellular vacuole called inclusion. Normally it has two forms: the infectious form, elementary body (EB); and the non-infectious form, reticulate body (RB). Ct is not easily amenable to genetic manipulation. Hence, to understand the infection process, it is crucial to study how the metabolic activity of Ct exactly evolves in the host cell and what roles of EB and RB play differentially in Ct metabolism during infection. In addition, Ct was found regularly coinfected with other pathogens in patients who got sexually transmitted diseases (STDs). A lack of powerful methods to culture Ct outside of the host cell makes the detailed molecular mechanisms of coinfection difficult to study. In this work, a genome-scale metabolic model with 321 metabolites and 277 reactions was first reconstructed by me to study Ct metabolic adaptation in the host cell during infection. This model was calculated to yield 84 extreme pathways, and metabolic flux strength was then modelled regarding 20hpi, 40hpi and later based on a published proteomics dataset. Activities of key enzymes involved in target pathways were further validated by RT-qPCR in both HeLa229 and HUVEC cell lines. This study suggests that Ct's major active pathways involve glycolysis, gluconeogenesis, glycerolphospholipid biosynthesis and pentose phosphate pathway, while Ct's incomplete tricarboxylic acid cycle and fatty acid biosynthesis are less active. EB is more activated in almost all these carbohydrate pathways than RB. Result suggests the survival of Ct generally requires a lot of acetyl-CoA from the host. Besides, both EB and RB can utilize folate biosynthesis to generate NAD(P)H but may use different pathways depending on the demands of ATP. When more ATP is available from both host cell and Ct itself, RB is more activated by utilizing energy providing chemicals generated by enzymes associated in the nucleic acid metabolism. The forming of folate also suggests large glutamate consumption, which is supposed to be converted from glutamine by the glutamine-fructose-6-phosphate transaminase (glmS) and CTP synthase (pyrG). Then, RNA sequencing (RNA-seq) data analysis was performed by me in a coinfection study. Metatranscriptome from patient RNA-seq data provides a realistic overview. Thirteen patient samples were collected and sequenced by our collaborators. Six male samples were obtained by urethral swab, and seven female samples were collected by cervicovaginal lavage. All the samples were Neisseria gonorrhoeae (GC) positive, and half of them had coinfection with Ct. HISAT2 and Stringtie were used for transcriptomic mapping and assembly respectively, and differential expression analysis by DESeq2, Ballgown and Cuffdiff2 are parallelly processed for comparison. Although the measured transcripts were not sufficient to assemble Ct's transcriptome, the differential expression of genes in both the host and GC were analyzed by comparing Ct positive group (Ct+) against Ct-uninfected group. The results show that in the Ct+ group, the host MHC class II immune response was highly induced. Ct infection is associated with the regulation of DNA methylation, DNA double-strand damage and ubiquitination. The analysis also shows Ct infection enhances host fatty acid beta oxidation, thereby inducing mROS, and the host responds to reduce ceramide production and glycolysis. The coinfection upregulates GC's own ion transporters and amino acid uptake, while it downregulates GC's restriction and modification systems. Meanwhile, GC has the nitrosative and oxidative stress response and also increases the ability for ferric uptake especially in the Ct+ group compared to Ct-uninfected group. In conclusion, methods in bioinformatics were used here in analyzing the metabolism of Ct itself, and the responses of the host and GC respectively in a coinfection study with and without Ct. These methods provide metabolic and metatranscriptomic details to study Ct metabolism during infection and Ct associated coinfection in the human microbiota. / Chlamydia trachomatis (Ct) ist ein obligater intrazellulärer Pathogen des Menschen. Er verursacht Trachoma und sexuell übertragbare Krankheiten, wie Chlamydiose, Unterleibsentzündung und Lymphogranuloma venereum. Ct besitzt einen biphasischen Entwicklungszyklus und vermehrt sich in intrazellulären Vakuolen, sogenannten Einschlusskörperchen. Normalerweise können zwei Formen beobachtete werden: Die infektiöse Form, Elementarkörperchen (EK); und die nicht-infektiöse Form, Retikularkörperchen (RK). Ct ist nicht einfach genetisch zu manipulieren. Um den Infektionsablauf besser zu verstehen, ist es wichtig, zu untersuchen, wie sich genau die metabolische Aktivität von Ct in der Wirtszelle entwickelt und welche Rolle EK und RK im Metabolismus von Ct während der Infektion spielen. Zusätzlich wurde Ct häufig bei Patienten mit sexuell übertragbaren Krankheiten (STD) in Co-Infektion mit anderen Erregern gefunden. Ein Mangel an leistungsfähigen Methoden zur Kultivierung von Ct außerhalb der Wirtszelle macht es schwierig die genauen molekularen Mechanismen von Co-Infektionen zu untersuchen. In dieser Arbeit wurde erstmals ein genomweites metabolisches Model mit 321 Metaboliten und 277 Reaktionen aufgebaut, um die metabolische Adaption von Ct in der Wirtzelle während der Infektion zu untersuchen. Dieses Model wurde erstellt und umfasst 84 „extreme pathways“ (Grenz-Stoffwechselwege). Darauf aufbauend wurde die metabolische Fluss-Stärke berechnet. Die Zeitpunkte 20 hpi (20 Stunden nach der Infektion), 40 hpi und die anschließende Infektionsphase wurden durch Nutzung von Proteom-Daten modelliert. Die Aktivitäten von Schlüsselenzymen, welche in wichtigen Stoffwechselwegen involviert sind, wurden zusätzlich durch RT-qPCR überprüft. Dabei wurden die Ergebnisse sowohl für HeLA229- als auch HUVEC-Zellen nachgemessen. Diese Untersuchungen zeigten, dass Ct’s wichtigste aktive Stoffwechselwege die Glykolyse, die Gluconeogenese und der Pentosephosphatweg sind, während der unvollständige Zitronensäurezyklus und die Fettsäuresynthese weniger aktiv sind. Gegenüber RK sind bei EK fast alle diese Kohlenhydratwege stärker aktiviert. Im Allgemeinen benötigt Ct eine größere Menge an Acetyl-CoA. Außerdem können sowohl EK, als auch RK die Folsäurebiosynthese nutzen, um NAD(P)H zu generieren. Dabei werden möglicherweise unterschiedliche Pathways genutzt, abhängig vom Bedarf an ATP. Sobald mehr ATP sowohl durch die Wirtszellen als auch von der Ct-Zelle selbst zur Verfügung steht, wird die Nutzung von Energieträgern, produziert durch Enzyme des Nukleinsäurestoffwechsels, in RK stärker aktiviert. Die Bildung von Folsäure lässt den Schluss zu, dass große Mengen von Glutamat umgesetzt werden, welches vermutlich aus der Umwandlung von Glutamin durch die Glutamine-fructose-6-phosphate-transaminase (glmS) und CTP-Syntase (pyrG) stammt. Anschließend wurde eine Analyse von RNA-Sequenzierungsdaten (RNA-seq) aus einer Co-Infektions-Studie (Chlamydien und andere Keime, insbesondere Gonokokken (GC)) durchgeführt. Dafür wurden Proben von dreizehn Patienten gesammelt und von Kollaborationspartnern sequenziert. Sechs Proben männlicher Patienten wurden durch Abstrich der Harnröhre und sieben Proben weiblicher Patientinnen durch cervicovaginale Lavage gewonnen. Alle Proben waren Neisseria gonorrhoeae (GC) positiv, wobei die Hälfte eine Co-Infektion mit Ct aufwies. Die Programme HISAT2 and Stringtie wurden zum Abbilden der transgenomischen Reads beziehungsweise zur Assemblierung des Genoms verwendet, und eine Analyse der differentiellen Expression wurde jeweils mit DESeq2, Ballgown und Cuffdiff2 durchgeführt und die Ergebnisse verglichen. Obwohl nicht ausreichend viele Transkripte von Ct gewonnen werden konnten, um das Transkriptom komplett assemblieren zu können, wurde die differentielle Expression der Gene sowohl von Wirt als auch von GC durch den Vergleich zwischen der Gruppe der Ct-positiven (Ct+) der Gruppe der Ct-unifizierten Patienten analysiert. Die Ergebnisse zeigten, dass in der (Ct+)-Gruppe die auf der MHC-Klasse-II basierte Immunantwort stark induziert war. Die Infektion von Ct ist mit der Regulation der DNA-Methylierung, DNA-Doppel-Strang-Schädigung und Ubiquitinierung verbunden. Die Analyse zeigte zusätzlich, dass die Infektion mit Ct die Fettsäure β-Oxidation des Wirts steigert, dadurch mROS induziert, und sowohl die Ceramid-Produktion als auch die Glycolyse reduziert. Die Co-Infektion reguliert GC’s eigene Eisentransporter und Aminosäureaufnahme hoch, während Restriktions- und Modifikationssysteme herunterreguliert werden. Gleichzeitig zeigt GC sowohl eine stickstoffsensitve Stress Antwort als auch eine oxidative. Dies verstärkt zusätzlich die Fähigkeit für die Aufnahme von Eisen, insbesondere in der (Ct+)-Gruppe. Zusammenfassend wurden Methoden der Bioinformatik genutzt, um den Metabolismus von Ct selbst, und die Antwort des Wirtes respektive GC‘s in einer Co-Infektionsstudie mit und ohne Ct zu analysieren. Diese Methoden lieferten wichtige metabolische und metatranskriptomische Details, um den Metabolismus von Ct während der Infektion, aber auch das Mikrobiom während einer Ct assoziierter Co-Infektion zu untersuchen.

Bacterial meningitis occurs when blood-borne bacteria are able to penetrate highly specialized brain endothelial cells (BECs) and gain access to the meninges. Neisseria meningitidis (Nm) is a human-exclusive pathogen for which suitable in vitro models are severely lacking. Until recently, modeling BEC-Nm interactions has been almost exclusively limited to immortalized human cells that lack proper BEC phenotypes. Specifically, these in vitro models lack barrier properties, and continuous tight junctions. Alternatively, humanized mice have been used, but these must rely on known interactions and have limited translatability. This motivates the need to establish novel human-based in vitro BEC models that have barrier phenotypes to research Nm-BEC interactions. Recently, a human induced pluripotent stem cell (iPSC) model of BECs has been developed that possesses superior BEC phenotypes and closely mimics the in vivo blood vessels present at the blood-meningeal barrier. Here, iPSC-BECs were tested as a novel cellular model to study Nm-host pathogen interactions, with focus on host responses to Nm infection. Two wild type strains and three mutant strains of Nm were used to confirm that these followed similar phenotypes to previously described models. Importantly, the recruitment of the recently published pilus adhesin receptor CD147 underneath meningococcal microcolonies could be verified in iPSC-BECs. Nm was also observed to significantly increase the expression of pro-inflammatory and neutrophil-specific chemokines IL6, CXCL1, CXCL2, CXCL8, and CCL20, at distinct time points of infection, and the secretion of IFN γ and RANTES by iPSC-BECs. Nm was directly observed to disrupt tight junction proteins ZO-1, Occludin, and Claudin-5 at late time points of infection, which became frayed and/or discontinuous upon infection. This destruction is preceded by, and might be dependent on, SNAI1 activation (a transcriptional repressor of tight junction proteins). In accordance with tight junction loss, a sharp loss in trans-endothelial electrical resistance, and an increase in sodium fluorescein permeability was observed at late infection time points. Notably, bacterial transmigration correlated with junctional disruption, indicating that the paracellular route contributes for bacterial crossing of BECs. Finally, RNA-Sequencing (RNA-Seq) of sorted, infected iPSC-BECs was established through the use of fluorescence-activated cell sorting (FACS) techniques following infection. This allowed the detection of expression data of Nm-responsive host genes not previously described thus far to play a role during meningitidis. In conclusion, here the utility of iPSC-BECs in vitro to study Nm infection could be demonstrated. This is the first BEC in vitro model to express all major BEC tight junctions and to display high barrier potential. Altogether, here this model provides novel insights into Nm pathogenesis, including an impact of Nm on barrier properties and tight junction complexes and suggests that the paracellular route contributes to Nm traversal of BECs. / Eine bakterielle Meningitis tritt auf, wenn durch Blut übertragene Bakterien hochspezialisierte Hirnendothelzellen (BEC) durchdringen und Zugang zu den Meningen erhalten. Neisseria meningitidis (Nm) ist ein human-exklusiver Erreger, für dessen Untersuchung es an geeigneten In-vitro-Modellen mangelt. Bis vor kurzem war die Modellierung von BEC-Nm-Wechselwirkungen fast ausschließlich auf immortalisierte humane Zellen beschränkt, denen wichtige BEC-Phänotypen fehlen. Besonders hervorzuheben sind das Fehlen physiologischer Barriereeigenschaften durch unkontinuierliche dichte Zell-Zell-Verbindungen. Als alternative Modellorganismen können humanisierte Mäuse verwendet werden, die sich jedoch auf bekannte Wirt-Erreger-Wechselwirkungen stützen und durch Speziesunterschiede eine eingeschränkte Übersetzbarkeit aufweisen. Dies begründet die Notwendigkeit, neuartige humane In-vitro-BEC-Modelle zu etablieren, die physiologische Barrierephänotypen aufweisen, um Nm-BEC-Wechselwirkungen zu untersuchen. Kürzlich wurde ein humanes Modell entwickelt, welches auf aus induziert pluripotenten Stammzellen (iPSCs) abgeleiteten humanen BECs basiert und sich durch einen physiologischen Blut-Hirn-Schranken-Phänotyp auszeichnet. Die iPSC-BECs wurden in dieser Arbeit als neuartiges zelluläres Modell getestet, um Nm-Wirt-Pathogen-Wechselwirkungen zu untersuchen, wobei der Schwerpunkt auf Wirtsreaktionen auf Nm-Infektionen lag. Zwei Wildtypstämme und drei Mutantenstämme von Nm wurden verwendet, um zu bestätigen, dass diese ähnlichen Phänotypen wie in zuvor beschriebenen Modellen folgten. Hervorzuheben ist, dass die Rekrutierung des kürzlich veröffentlichten Pilus-Adhäsin-Rezeptors CD147 unter Meningokokken-Mikrokolonien in iPSC-BECs verifiziert werden konnte. Es wurde auch beobachtet, dass Nm die Expression der entzündungsfördernden und neutrophilen spezifischen Chemokine IL6, CXCL1, CXCL2, CXCL8 und CCL20 zu bestimmten Zeitpunkten der Infektion sowie die Sekretion von IFN-γ und RANTES durch iPSC-BECs signifikant erhöht. Es wurde zudem beobachtet, dass Nm die Tight Junction-Proteine ZO-1, Occludin und Claudin-5 zu späten Zeitpunkten der Infektion zerstört, verursacht durch die Infektion wurde ein ausgefranster und/oder diskontinuierlicher Tight Junction-Phänotyp beobachtet. Dieser Zerstörung geht die SNAI1-Aktivierung (ein Transkriptionsrepressor für Tight Junction-Proteine) voraus und könnte von ihr abhängig sein. In Übereinstimmung mit dem Verlust der Tight Junctions wurde zu späten Infektionszeitpunkten ein starker Verlust des transendothelialen elektrischen Widerstands und eine Zunahme der Natriumfluoreszein-Permeabilität beobachtet. Bemerkenswerterweise korrelierte die bakterielle Transmigration mit dem Verlust der Tight Junctions, was darauf hinweist, dass der parazelluläre Weg zur bakteriellen Überwindung von BECs eine entscheidende Rolle spielt. Schließlich wurde die RNA-Sequencing (RNA-Seq) von sortierten, infizierten iPSC-BECs durch die Verwendung von fluoreszenzaktivierten Zellsortiertechniken (FACS) nach der Infektion durchgeführt. Dies ermöglichte erstmalig den Nachweis von Expressionsdaten von Nm-responsiven Wirtsgenen, welche bei der Meningitidis eine Rolle zu spielen scheinen. Zusammenfassend konnte im Rahmen der vorliegenden Arbeit der Nutzen von iPSC-BECs In-Vitro-Modellen zur Untersuchung von Nm-Infektionen gezeigt werden. Dies ist das erste BEC-In-vitro-Modell, das alle wichtigen BEC-Tight Junctions exprimiert und ein hohes Barrierepotential aufweist. Insgesamt liefert das eingesetzte Modell neue Einblicke in die Nm-Pathogenese, einschließlich der Beeinflussung der Barriereeigenschaften und der Tight Junction-Komplexe durch Nm, und gibt erste Hinweise darauf, dass die parazelluläre Route zum Nm-Übertritt von BEC-Barrieren eine entscheidende Rolle spielt.

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