Desulfovibrio vulgaris strain Hildenborough is a key organism in the bioremediation of environments contaminated with anthropogenic sources of heavy metals and radionuclides. In order for D. vulgaris to be optimized for remediation of such sites in the environment, it is necessary to understand the organism's response to key stressors that are found in conjunction with both heavy metals and radionuclides. Few regulators have been discovered in this bacterium and even less is known about its genetic regulatory response to changing conditions in its environment. This dissertation project aimed to use computational, molecular, and culture-based methods to identify novel, small, regulatory RNAs (sRNAs)--an important class of cellular regulators that have yet to be studied in D. vulgaris--and to determine their effect on cellular processes within the organism. Computational and transcriptomic high-throughput sequencing resulted in over 200 high-quality putative sRNAs with the expression of sixteen of these sRNAs verified by Northern blot analysis. Eight of the confirmed sRNAs were selected and further characterized within this study resulting in three trans--or intergenic--encoded sRNA, three cis--or antisense--encoded sRNAs, and two sRNAs that may encode small proteins. These eight sRNAs included growth phase-specific sRNAs, differentially expressed sRNAs, as well as sRNAs processed into multiple forms. Molecular techniques such as quantitative reverse-transcriptase PCR (qRT-PCR) indicated differential expression of the confirmed sRNAs under a variety of stress conditions. Culture-based methods confirmed growth deficiencies in deletion and over-expression mutants of the sRNAs tested under stressors suggested during qRT-PCR analysis. Both of these tests suggested that the sRNAs discovered in this study participate within the cellular response of the bacterium to environmental stress. Computational methods were employed to reveal likely putative mRNA targets for the confirmed sRNAs in order to determine interactions and function within the regulatory networks. This study presents the first evidence of the existence and expression of sRNAs within D. vulgaris Hildenborough. Furthermore, the information gathered about the sRNAs analyzed in this work indicates that sRNAs are an important part of the regulatory response mechanism of D. vulgaris. Further research into target identification and interaction can close the loop of these regulatory networks and solidify the role of sRNAs in D. vulgaris.

RNA represents one of the most abundant macromolecules in both eukaryotic and prokaryotic cells. Since the discovery that RNA could play important gene regulatory functions in the physiology of a cell, small regulatory RNAs (sRNAs) have been at the center of molecular biology studies. Functional sRNAs can be independently transcribed or derived from processing of mRNAs and other non-coding regions and they often associate with RNA-binding proteins (RBPs). Ever since the two major bacterial RBPs, Hfq and ProQ, were identified, the way we approach the identification and characterization of sRNAs has drastically changed. Initially, a single sRNA was annotated and its function studied with the use of low-throughput biochemical techniques. However, the development of RNA-seq techniques over the last decades allowed for a broader identification of sRNAs and their functions. The process of studying a sRNA mainly focuses on the characterization of its interacting RNA partner(s) and the consequences of this binding. By using RNA interaction by ligation and sequencing (RIL-seq), the present thesis aimed at a high-throughput mapping of the Hfq-mediated RNA-RNA network in the major human pathogen Salmonella enterica. RIL-seq was at first performed in early stationary phase growing bacteria, which enabled the identification of ~1,800 unique interactions. In- depth analysis of such complex network was performed with the aid of a newly implemented RIL-seq browser. The interactome revealed known and new interactions involving sRNAs and genes part of the envelope regulon. A deeper investigation led to the identification of a new RNA sponge of the MicF sRNA, namely OppX, involved in establishing a cross-talk between the permeability at the outer membrane and the transport capacity at the periplasm and the inner membrane. Additionally, RIL-seq was applied to Salmonella enterica grown in SPI-2 medium, a condition that mimicks the intracellular lifestyle of this pathogen, and finally extended to in vivo conditions during macrophage infection. Collectively, the results obtained in the present thesis helped unveiling the complexity of such RNA networks. This work set the basis for the discovery of new mechanisms of RNA-based regulation, for the identification of a new physiological role of RNA sponges and finally provided the first resource of RNA interactions during infection conditions in a major human pathogen. / RNA ist eines der am häufigsten vorkommenden Makromoleküle sowohl in eukaryontischen als auch in prokaryontischen Zellen. Seit der Entdeckung, dass RNA wichtige genregulatorische Funktionen in der Physiologie einer Zelle spielen könnte, stehen kleine regulatorische RNAs (sRNAs) im Mittelpunkt molekularbiologischer Studien. Funktionelle sRNAs können alleinstehend von nicht-codierenden oder codierenden Bereichen des Genoms transkribiert werden, aber sie können auch durch die Prozessierung einer mRNA entstehen. Des Weiteren sind sRNAs häufig mit RNA- bindenden Proteinen (RBPs) assoziiert. Seitdem die beiden wichtigsten bakteriellen RBPs, Hfq und ProQ, identifiziert wurden, hat sich die Art und Weise, wie wir an die Identifizierung und Charakterisierung von sRNAs herangehen, drastisch verändert. Ursprünglich wurden sRNAs annotiert und anschließend für einzelne sRNAs die Funktion mit biochemischen Techniken untersucht. Die Entwicklung von RNA-seq-Techniken in den letzten Jahrzehnten ermöglichte nun jedoch eine globale Identifizierung von sRNAs und ihren Funktionen. Der Prozess der Untersuchung einer sRNA konzentriert sich hauptsächlich auf die Charakterisierung ihrer interagierenden RNA-Partner und die Folgen dieser Bindung. Mit Hilfe der RNA-Interaktion durch Ligation und Sequenzierung (RIL-seq) wurde in der vorliegenden Arbeit eine Hochdurchsatzkartierung des Hfq-vermittelten RNA-RNA-Netzwerks in dem wichtigen humanen Krankheitserreger Salmonella enterica durchgeführt. RIL-seq wurde zunächst in Bakterien in der frühen stationären Wachstumsphase durchgeführt, was die Identifizierung von ~1.800 einzigartigen Interaktionen ermöglichte. Mit Hilfe eines neu implementierten RIL-seq-Browsers wurde daraufhin eine eingehende Analyse dieses komplexen Netzwerks durchgeführt. Das Interaktom enthüllte bekannte und neue Interaktionen zwischen sRNAs und mRNAs, die Teil des Zellwand-Regulons sind. Eine tiefergehende Untersuchung führte zur Identifizierung eines neuen RNA-Schwammes, OppX, welcher mit der sRNA MicF bindet und so die Herstellung eines Cross-Talks zwischen der Permeabilität an der äußeren Membran und der Transportkapazität am Periplasma und der inneren Membran ermöglicht. Darüber hinaus wurde RIL-seq für Salmonella enterica angewandt, welche in SPI-2-Medium gewachsen waren, wobei diese Bedingung, die den intrazellulären Lebensstil dieses Erregers nachahmt. Durch die Infektion von Makrophagen mit dem Bakterium, wurde das RIL-seq Protokoll des Weiteren unter in vivo Bedingungen getestet. Insgesamt trugen die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse dazu bei, die Komplexität solcher RNA- Netzwerke zu enthüllen. Diese Arbeit bildete die Grundlage für die Entdeckung neuer Mechanismen der RNA-basierten Regulierung als auch für die Identifizierung einer neuen physiologischen Rolle von RNA- Schwämmen und lieferte letztendlich die erste Untersuchung für RNA- Interaktionen unter Infektionsbedingungen in einem wichtigen menschlichen Krankheitserreger.

MicroRNAs sind kleine, nicht kodierende RNA-Moleküle, die posttranskriptionell die Genexpression regulieren. Sie binden hierfür spezifisch an 3’-UTRs von messenger-RNAs und führen entweder direkt zu deren Abbau oder inhibieren deren Translation. Über die Mechanismen, die die Expression von microRNAs regulieren, ist jedoch noch wenig bekannt. Die Tatsache, dass sie als lange Vorläufermoleküle (pri-microRNAs) durch die RNA-Polymerase-II transkribiert werden, legt die Existenz eines Promotorbereiches nahe, der dem proteinkodierender Gene ähnelt. Mit Hilfe von microRNA-Arrays konnten wir im linksventrikulären Myokard mehrere bei Herzinsuffizienz deutlich verändert exprimierte microRNAs identifizieren. Die microRNA-21 ist dabei bereits im Frühstadium der Herzinsuffizienz verstärkt exprimiert (Northern Blot). Auch in primären, kardialen Zellen (Fibroblasten, Kardiomyozyten) wird die microRNA-21 nach Induktion einer Hypertrophie verstärkt exprimiert. Weiterführendes Ziel dieser Arbeit war es nun, diejenigen Mechanismen aufzuklären, die der starken Induktion der microRNA-21 im erkrankten Myokard zu Grunde liegen. Durch bioinformatische Analyse des zugehörigen Promotorbereiches (Trans-Spezies-Konservierung) und Klonierung danach ausgerichteter Fragmente in Luciferase-basierte Reporter-Plasmide konnte ein 118 Basen langer Bereich identifiziert werden, der maßgeblich die Expression der microRNA-21 im Herzen bedingt. Durch Deaktivierung einzelner cis-Elemente konnte die kardiale Expression auf zwei essentielle Transkriptionsfaktorbindungsstellen zurückgeführt werden. Es handelt sich dabei um Erkennungssequenzen für die im Herz bedeutsamen Transkriptionsfaktoren CREB und SRF. Sie liegen in enger räumlicher Nachbarschaft ungefähr 1150 bp vor der Transkriptionsstartstelle. Die Suppression der Expression dieser beiden Transkriptionsfaktoren mittels geeigneter siRNAs führte jeweils zu einer signifikanten Aktivitätsminderung des microRNA-21-Promotors und konnte somit die vorangehenden Ergebnisse validieren. Durch Generierung einer transgenen Tierlinie, die lacZ unter der Kontrolle des microRNA-21-Promotors exprimiert, werden in naher Zukunft nähere Aufschlüsse über die gewebsspezifische Verteilung der microRNA-21-Expresssion in vivo möglich sein. Zusammenfassend beschreiben wir hier erstmals den Mechanismus der transkriptionellen Regulation der microRNA-21 im Herzen. Dieser Mechanismus bedingt wahrscheinlich die starke Induktion dieser microRNA bei kardialer Hypertrophie und Herzinsuffizienz. / MicroRNAs are small, non-coding RNA molecules that posttranscriptionally regulate gene expression. They specifically bind to 3’-UTRs of messenger RNAs and either directly lead to the degradation of the bound messenger-RNA or inhibit its translation. Only little is known, however, about the mechanisms that control the expression of microRNAs. The fact that they are being transcribed as long precursor-molecules (primary microRNAs, pri-microRNAs) by type-II-RNA-polymerase suggests that they have a promoter region similar to those of protein-coding genes. Using microRNA arrays, we were able to identify several differentially expressed microRNAs in the left ventricular myocardium of mice suffering from heart failure. MicroRNA-21 was found to be strikingly upregulated even in early stages of disease (Northern blot) and the induction of hypertrophy in vitro also elevated its expression. The aim of this study was to learn more about the molecular mechanisms that are responsible for the strong induction of microRNA-21 in the failing heart. Bioinformatic analysis of the microRNA-21 promoter region (trans species conservation) and cloning of several fragments into luciferase-based reporter plasmids revealed a 118 bp region to be fundamental to the activity of this promoter in cardiac cells. By deactivating single cis elements we were able to identify two transcription factor binding sites that are essential for microRNA-21 expression. These are recognition sites for the transcription factors CREB and SRF, both of which are known to be important in the heart. They are located in close proximity about 1150 bp upstream of the transcription start site. The suppression of these transcription factors through siRNAs lead to a strong reduction of the microRNA-21 promoter activity and thus validated the preceding results. Summing up we were able to describe the mechanisms that underlie the transcriptional regulation of microRNA-21 in the heart. This mechanism most likely leads to the strong induction of this microRNA in hypertrophy and heart failure.

Non-coding RNAs constitute a major class of regulators involved in bacterial gene expression. A group of riboregulators of heterogeneous size and shape referred to as small regulatory RNAs (sRNAs) control trans- or cis-encoded genes through direct base-pairing with their mRNAs. Although mostly inhibiting their target mRNAs, several sRNAs also induce gene expression. An important co-factor for sRNA activity is the RNA chaperone, Hfq, which is able to rearrange intramolecular secondary structures and to promote annealing of complementary RNA sequences. In addition, Hfq protects unpaired RNA from degradation by ribonucleases and thus increases sRNA stability. Co-immunoprecipitation of RNA with the Hfq protein, and further experimental as well as bioinformatical studies performed over the last decade suggested the presence of more than 150 different sRNAs in various Enterobacteria including Escherichia coli and Salmonellae. So-called core sRNAs are considered to fulfill central cellular activities as deduced from their high degree of conservation among different species. Approximately 25 core sRNAs have been implicated in gene regulation under a variety of environmental responses. However, for the majority of sRNAs, both the riboregulators’ individual biological roles as well as modes of action remain to be elucidated. The current study aimed to define the cellular functions of the two highly conserved, Hfq-dependent sRNAs, SdsR and RydC, in the model pathogen Salmonella Typhimurium. SdsR had been known as one of the most abundant sRNAs during stationary growth phase in E. coli. Examination of the conservation patterns in the sdsR promoter region in combination with classic genetic analyses revealed SdsR as the first sRNA under direct transcriptional control of the alternative σ factor σS. In Salmonella, over-expression of SdsR down-regulates the synthesis of the major porin OmpD, and the interaction site in the ompD mRNA coding sequence was mapped by a 3'RACE-based approach. At the post-transcriptional level, expression of ompD is controlled by three additional sRNAs, but SdsR plays a specific role in porin regulation during the stringent response. Similarly, RydC, the second sRNA adressed in this study, was initially discovered in E. coli but appeared to be conserved in many related γ-proteobacteria. An interesting aspect of this Hfq-dependent sRNAs is its secondary structure involving a pseudo-knot configuration, while the 5’ end remains single stranded. A transcriptomic approach combining RydC pulse-expression and scoring of global mRNA changes on microarrays was employed to identify the targets of this sRNA. RydC specifically activated expression of the longer of two versions of the cfa mRNA encoding for the phospholipid-modifying enzyme cyclopropane fatty acid synthase. Employing its conserved single-stranded 5' end, RydC acts as a positive regulator and masks a recognition site of the endoribonuclease, RNase E, in the cfa leader. / Die bakterielle Genexpression wird unter anderem maßgeblich von nicht-kodierenden RNAs bestimmt. Kleine regulatorische RNAs (sRNAs) sind eine bezüglich Größe und Struktur heterogene Gruppe von Riboregulatoren, die ihre in cis oder in trans-kodierten Zielgene mittels direkter Basenpaarungen kontrollieren. Während der Großteil der sRNAs reprimierend wirkt, konnte für einige RNAs gezeigt werden, dass sie die Expression ihres Zieltranskripts verstärken. Ein wichtiger Kofaktor für die regulatorische Funktion der sRNAs ist das RNA-Chaperon Hfq, welches sowohl die Umfaltung intramolekularer Sekundärstrukturen ermöglicht, als auch die Ausbildung von Basenpaarungen zwischen komplementären RNA-Sequenzen steuert. Zusätzlich schützt Hfq nicht-gepaarte RNAs vor dem Abbau durch Ribonukleasen, und trägt damit zur Stabilität der Moleküle bei. Durch Ko-Immunopräzipitation mit Hfq sowie in weiteren experimentellen als auch bioinformatischen Studien konnten im letzten Jahrzehnt in diversen Enterobakterien, wie z.B. auch Escherichia coli und Salmonellae, mehr als 150 verschiedene sRNAs bestimmt werden. Von so genannten "core sRNAs" (Kern-sRNAs) wird aufgrund ihres hohen Grades an Konservierung in unterschiedlichen Spezies angenommen, dass sie zentrale Funktionen erfüllen. Etwa 25 core sRNAs agieren unter verschiedenen Umweltbedingungen als Regulatoren. Ihre exakte biologische Rolle, sowie ihre Funktionsweise sind jedoch größtenteils noch unbekannt. In der vorliegenden Arbeit wurden die beiden konservierten, Hfq-abhängigen sRNAs, SdsR und RydC, im Modellpathogen Salmonella Typhimurium charakterisiert. SdsR war als eine der abundantesten sRNAs der stationären Phase in E. coli beschrieben worden. Durch Auswertung der Konservierungsmuster der sdsR Promotorsequenz sowie klassische genetische Analyse konnte SdsR als erste sRNA unter direkter Kontrolle des alternativen σ Faktors σS bestimmt werden. In Salmonella führt die Überexpression von SdsR zur Reprimierung des Membranporins OmpD, und die Bindestelle von SdsR auf dem ompD Transkript wurde mittels einer auf 3'-RACE basierenden Methode ermittelt. Obwohl die Expression von ompD auf post-transkriptionaler Ebene von drei weiteren sRNAs kontrolliert wird, konnte eine spezische Regulation des Porins durch SdsR während Aminosäure-Hungerung gezeigt werden. Auch RydC, die zweite in dieser Studie analysierte sRNA, wurde zunächst in E. coli beschrieben und ist aber auch in weiteren γ-Proteobakterien konserviert. Interessanterweise enthält die Sekundärstruktur dieser Hfq-abhängigen sRNA einen Pseudoknoten, während das 5'-Ende ungepaart ist. Die Zielgene von RydC wurden mittels einer Transkriptomanalyse bestimmt, in der die Änderung der Häufigkeitsverteilung aller mRNAs nach kurzzeitiger Überexpression der sRNA auf Microarrays untersucht wurde. RydC bewirkte die spezifische Aktivierung des längeren von insgesamt zwei Versionen der cfa mRNA, die für eine Cyclopropan-fettsäuresynthase kodiert, ein Enzym das zur Modifikation von Phospholipiden dient. Eine Basenpaarung über das freie 5'-Ende der sRNA RydC führt zur Aktivierung der cfa-Expression, und maskiert eine Erkennungssequenz der Endoribonuklease, RNase E, innerhalb des Transkripts.

Low pH is the main environmental stress encountered by Helicobacter pylori in the human stomach. To ensure its survival under acidic conditions, this bacterium utilizes urease (encoded by the ureAB operon), a nickel-activated metalloenzyme, which cleaves urea into ammonia to buffer the periplasmic space. Expression of the ureAB operon is tightly regulated at the transcriptional level. Moreover, the urease activity is modulated post translationally via the activity of nickel-binding proteins such as HP1432 that act as nickel sponges to either sequester or release nickel depending on the pH. However, little is known how the levels of these nickel-binding proteins are regulated at the post-transcriptional level. Interestingly, more than 60 candidate small regulatory RNAs (sRNAs) have been identified in a differential RNA-seq approach in H. pylori strain 26695, suggesting an uncharacterized layer of post-transcriptional riboregulation in this pathogen. sRNAs control their trans- or cis- encoded targets by direct binding. Many of the characterized sRNAs are expressed in response to specific environmental cues and are ideal candidates to confer post-transcriptional regulation under different growth conditions. This study demonstrates that a small RNA termed ArsZ (Acid Responsive sRNA Z) and its target HP1432 constitute yet another level of urease regulation. In-vitro and in-vivo experiments show that ArsZ interacts with the ribosome binding site (RBS) of HP1432 mRNA, effectively repressing translation of HP1432. During acid adaptation, the acid-responsive ArsRS two-component system represses expression of ArsZ. ArsRS and ArsZ work in tandem to regulate expression of HP1432 via a coherent feedforward loop (FFL). ArsZ acts as a delay mechanism in this feedforward loop to ensure that HP1432 protein levels do not abruptly change upon transient pH drops encountered by the bacteria. ArsZ “fine-tunes” the dynamics of urease activity after pH shift presumably by altering nickel availability through post transcriptional control of HP1432 expression. Interestingly, after adaptation to acid stress, ArsZ indirectly activates the transcription of HP1432 and forms an incoherent FFL with ArsRS to regulate HP1432. This study identified a non-standard FFL in which ArsZ can participate directly or indirectly in two different network configurations depending on the state of acid stress adaptation. The importance of ArsZ in the acid response of H. pylori is further supported by bioinformatics analysis showing that the evolution of ArsZ is closely related to the emergence of modern H. pylori strains that globally infect humans. No homologs of arsZ were found in the non-pylori species of Helicobacter. Moreover, this study also demonstrates that the physiological role of a sRNA can be elucidated without the artificial overexpression of the respective sRNA, a method commonly used to characterize sRNAs. Coupled with time-course experiments, this approach allows the kinetics of ArsZ regulation to be studied under more native conditions. ArsZ is the first example of a trans-acting sRNA that regulates a nickel storage protein to modulate apo-urease maturation. These findings may have important implications in understanding the details of urease activation and hence the colonization capability of H. pylori, the only bacterial class I carcinogen to date (WHO, 1994). / In der natürlichen Umgebung des menschlichen Magens ist Helicobacter pylori insbesondere niedrigen pH-Werten ausgesetzt. Um diese Bedingungen zu überleben, setzt das Bakterium das Enzym Urease ein (kodiert durch das ureAB Operon), ein Nickel-aktiviertes Metalloenzym, welches Urea zu Ammonium umsetzt um den pH-Wert des periplasmatischen Raums abzupuffern. Die Expression dieses Operons ist auf transkriptioneller Ebene streng reguliert. Zudem ist die Aktivität des Urease Enzyms auf post-translationaler Ebene moduliert. Dies geschieht durch die Aktivität von Nickel-Bindeproteinen wie HP1432, die in Abhängigkeit vom pH-Wert Nickelionen abfangen oder wieder freigeben. Allerdings ist nur sehr wenig darüber bekannt, wie diese Nickel-Bindeproteine auf post-transkriptioneller Ebene reguliert werden. Interessanterweise wurden mehr als 60 sRNA-Kandidaten (engl. small RNA für dt. kleine RNA) durch eine differentielle RNA-seq Methode im H. pylori Stamm 26695 identifiziert. Dies legt eine nicht charakterisierte Ebene post-transkriptioneller Riboregulierung in diesem Pathogen nahe. sRNAs kontrollieren ihre trans- oder cis-kodierten Zielgene durch direkte Interaktion. Viele der charakterisierten sRNAs werden als Antwort auf spezifische Umweltsignale exprimiert und stellen ideale Kandidaten für post-transkriptionelle Regulatoren unter verschiedenen Wachstumsbedingungen dar. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass die kleine RNA ArsZ (engl. acid responsive sRNA Z für dt. säureabhängige sRNA Z) und ihr Zielgen HP1432 ein zusätzliches Level der Urease-Regulierung darstellen. In-vitro und in-vivo Experimente zeigen, dass ArsZ mit der Ribosomenbindestelle (RBS) der HP1432 mRNA interagiert, wodurch dessen Translation verhindert wird. Während der Säureanpassung verhindert das säureabhängige ArsRS Zweikomponentensystem die Expression von ArsZ. Zusammen regulieren ArsRS und ArsZ das Zielgen HP1432 in Form eines kohärenten Feed-forward-loops (FFL). ArsZ agiert hier als Verzögerungsmechanismus, um sicherzustellen, dass sich bei einem transienten Abfall des pH-Wertes das Proteinlevel von HP1432 nicht abrupt verändert. Nach pH-Änderungen vermittelt ArsZ eine Feinregulierung der Ureaseaktivität, vermutlich indem es durch die post-transkriptionelle Kontrolle der HP1432 Expression die Verfügbarkeit von Nickel verändert. Interessanterweise aktiviert ArsZ nach der Säureanpassung indirekt die Transkription von HP1432 und schließt dadurch einen inkohärenten FFL mit ArsRS zur Regulierung von HP1432. Diese Studie identifizierte einen Nicht-Standard-FFL, in dem ArsZ abhängig von dem Status der Säureadaptation in zwei verschiedenen Netzwerkkonfigurationen direkt oder indirekt agieren kann. Bioinformatorische Analysen unterstützen die Relevanz von ArsZ in der Säureantwort von H. pylori zusätzlich. Hierbei kann gezeigt werden, dass die Evolution von ArsZ mit dem Aufkommen moderner H. pylori Stämme einhergeht, die weltweit Menschen infizieren. In nicht-pylori Helicobacter Spezies konnten keine Homologe von arsZ gefunden werden. Zudem zeigt diese Studie, dass die physiologische Rolle einer sRNA ohne ihre artifizielle Überexpression aufgeklärt werden kann, eine standard-mäßige Herangehensweise zur Charakterisierung kleiner RNAs. In Kombination mit Zeitverlaufsexperimenten konnte die zeitabhängige Regulierung von Zielgenen durch ArsZ unter natürlicheren Bedingungen untersucht werden. ArsZ ist das erste Beispiel einer trans-agierenden sRNA die ein Nickel-Speicherprotein reguliert, um die Reifung der Apo-Urease zu modulieren. Diese Ergebnisse können wichtige Informationen liefern, um die Aktivierung des Urease Enzyms besser zu verstehen und um damit detailliertere Einblicke in die Kolonisierungsfähigkeit von H. pylori zu gewinnen, dem bislang einzigen bakteriellen Klasse-I-Karzinogen (WHO, 1994).

Zugl.: Berlin, Freie Univ., Diss., 2009

Small noncoding RNAs, including microRNAs (miRNAs), piwi-interacting RNAs (piRNAs), and endogenous small-interfering RNAs (endo-siRNAs), regulate developmental and defense pathways in animals. While many small RNA silencing protein cofactors have been identified, much more is to be learned from a dynamic and quantitative perspective to reveal the underlying mechanisms and designing principles of each pathway. In this dissertation, I present studies that examine the temporal dynamics of small RNA pathways - one from an evolutionary time scale among the nematode species, and one from finely staged Caenorabditis elegans during the first larval stage. I also describe works identifying new cofactors functions in the miRNA pathway, potentially through regulating the spatial dynamics of the miRNA silencing complex.

Bacterial small non-coding RNAs (sRNAs) play fundamental roles in controlling and finetuning gene expression in a wide variety of cellular processes, including stress responses, environmental signaling and virulence in pathogens. Despite the identification of hundreds of sRNA candidates in diverse bacteria by genomics approaches, the mechanisms and regulatory capabilities of these posttranscriptional regulators have most intensively been studied in Gram-negative Gammaproteobacteria such as Escherichia coli and Salmonella. So far, almost nothing is known about sRNA-mediated regulation (riboregulation) in Epsilonproteobacteria, including the major human pathogen Helicobacter pylori. H. pylori was even thought to be deficient for riboregulation as none of the sRNAs known from enterobacteria are conserved in Helicobacter and since it lacks the major RNA chaperone Hfq, which is crucial for sRNA function as well as stability in many bacteria. Nonetheless, more than 60 cis- and trans-acting sRNA candidates were recently identified in H. pylori by a global RNA sequencing approach, indicating that this pathogen, in principle, has the capability to use riboregulation for its gene expression control. However, the functions and underlying mechanisms of H. pylori sRNAs remained unclear. This thesis focused on the first functional characterization and target gene identification of a trans-acting sRNA, RepG (Regulator of polymeric G-repeats), in H. pylori. Using in-vitro and in-vivo approaches, RepG was shown to directly base-pair with its C/Urich terminator loop to a variable homopolymeric G-repeat in the 5’ untranslated region (UTR) of the tlpB mRNA, thereby regulating expression of the chemotaxis receptor TlpB. While the RepG sRNA is highly conserved, the length of the G-repeat in the tlpB mRNA leader varies among different H. pylori isolates, resulting in a strain-specific tlpB regulation. The modification of the number of guanines within the G-stretch in H. pylori strain 26695 demonstrated that the length of the homopolymeric G-repeat determines the outcome of posttranscriptional control (repression or activation) of tlpB by RepG. This lengthdependent targeting of a simple sequence repeat by a trans-acting sRNA represents a new twist in sRNA-mediated regulation and a novel mechanism of gene expression control, since it uniquely links phase variation by simple sequence repeats to posttranscriptional regulation. In almost all sequenced H. pylori strains, tlpB is encoded in a two gene operon upstream of HP0102, a gene of previously unknown function. This study provided evidence that HP0102 encodes a glycosyltransferase involved in LPS O-chain and Lewis x antigen production. Accordingly, this glycosyltransferase was shown to be essential for mice colonization by H. pylori. The coordinated posttranscriptional regulation of the tlpB-HP0102 operon by antisense base-pairing of RepG to the phase-variable G-repeat in the 5’ UTR of the tlpB mRNA allows for a gradual, rather than ON/OFF, control of HP0102 expression, thereby affecting LPS biosynthesis in H. pylori. This fine-tuning of O-chain and Lewis x antigen expression modulates H. pylori antibiotics sensitivity and thus, might be advantageous for Helicobacter colonization and persistence. Whole transcriptome analysis based on microarray and RNA sequencing was used to identify additional RepG target mRNAs and uncover the physiological role of this riboregulator in H. pylori. Altogether, repG deletion affected expression of more than 40 target gene candidates involved various cellular processes, including membrane transport and adhesion, LPS modification, amino acid metabolism, oxidative and nitrosative stress, and nucleic acid modification. The presence of homopolymeric G-repeats/G-rich sequences in almost all target mRNA candidates indicated that RepG hijacks a conserved motif to recognize and regulate multiple target mRNAs in H. pylori. Overall, this study demonstrates that H. pylori employs riboregulation in stress response and virulence control. In addition, this thesis has successfully established Helicobacter as a new model organism for investigating general concepts of gene expression control by Hfq-independent sRNAs and sRNAs in bacterial pathogens. / Bakterielle kleine, nicht-kodierende RNAs (sRNAs, engl. für small RNAs) spielen eine fundamentale Rolle in der Kontrolle und Feinabstimmung der Genexpression in Bakterien. Sie sind an einer Vielzahl von zellulären Prozessen, einschließlich der Adaption an unterschiedliche Stress- sowie Umweltbedingungen und der Virulenz von bakteriellen Pathogenen, beteiligt. Trotz der Identifizierung von Hunderten von sRNA-Kandidaten in diversen Bakterien durch genomweite Untersuchungsmethoden, wurden die regulatorischen Eigenschaften und Mechanismen dieser posttranskriptionellen Regulatoren bisher hauptsächlich in Gram-negativen Gammaproteobakterien wie Escherichia coli und Salmonella untersucht. Bislang ist nur wenig über sRNA-basierte Regulation (Riboregulation) in Epsilonproteobakterien, einschließlich dem weitverbreiteten Humanpathogen Helicobacter pylori, bekannt. Es wurde sogar angenommen, dass H. pylori über keine Art der Riboregulation verfügt, da keine der enterobakteriellen sRNAs in Helicobacter konserviert sind. Zudem konnte in diesem Erreger kein Homolog für das RNAChaperon Hfq, welches in vielen Bakterien essentiell für die Funktion und Stabilität von sRNAs ist, identifiziert werden. Nichtsdestotrotz wurden mit Hilfe einer globalen RNASequenzierungsstudie,die auf der Sequenzierung primärer Transkripte in einem Hochdurchsatzverfahren basiert, kürzlich mehr als 60 in cis- und in trans-agierende sRNAKandidaten in H. pylori identifiziert. Diese Transkriptomanalyse deutet darauf hin, dass H. pylori prinzipiell die Fähigkeit hat Riboregulation zur Kontrolle seiner Genexression zu nutzen. Die Funktionen und Mechanismen von sRNAs in H. pylori sind jedoch immer noch unklar. In der vorgelegten Arbeit wurde erstmals eine in trans-agierende sRNA, RepG (Regulator of polymeric G-repeats), in Helicobacter charakterisiert sowie dessen zelluläre Zielgene identifiziert. Mit Hilfe diverser in-vitro und in-vivo Analysen konnte gezeigt werden, dass der C/U-reiche Transkriptionsterminatorloop von RepG direkt an eine variable, repetitive G-Sequenz in der 5‘ untranslatierten Region (UTR) der tlpB mRNA bindet. Durch diese direkte sRNA-mRNA Interaktion wird die Expression des Chemotaxis Rezeptors TlpB reguliert. Im Gegensatz zu einer hohen Konservierung der Sequenz der RepG sRNA, variiert die Länge des G-Stretches im 5‘ UTR der tlpB mRNA zwischen unterschiedlichen H. pylori Isolaten. Diese Längenvariation resultiert in einer Stamm-spezifischen Regulation der TlpB Expression. Die Modifikation der Anzahl der Guanin-Basen im G-Stretch des H. pylori Stammes 26695 demonstrierte, dass die Länge der repetitiven G-Sequenz das Ergebnis der posttranskriptionellen Regulation (Repression oder Aktivierung) von tlpB durch RepG beeinflusst. Die hier beschriebene Längen-abhängige Interaktion zwischen einer in transagierenden sRNA und einer einfachen, repetitiven Sequenz repräsentiert nicht nur ein neues Konzept für die Genregulation durch sRNAs, sondern stellt auch einen neuen Mechanismus der Genexpressionskontrolle dar. Darüber hinaus, veranschaulicht die hier beschriebene sRNA-mRNA Interaktion eine bislang einzigartige Verknüpfung von Phasenvariation durch hochvariabel, repetitive Sequenzen mit Genregulation durch sRNAs. In nahezu allen sequenzierten H. pylori Stämmen ist das tlpB Gen in einem Operon zusammen mit einem Gen mit bisher unbekannter Funktion, HP0102, kodiert. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass HP0102 für eine Glykosyltransferase kodiert, die an der Synthese der O-Seitenketten des LPS und des Lewis x Antigens in H. pylori beteiligt ist. Darüber hinaus konnte demonstriert werden, dass diese Glykosyltransferase für die Kolonisierung des murinen Magens durch H. pylori essentiell ist. Die koordinierte, posttranskriptionelle Regulation des tlpB-HP0102 Operons, welche durch antisense Basenpaarung zwischen RepG und der phasen-variablen, repetitiven G-Sequenz im 5‘ UTR der tlpB mRNA vermittelt wird, ermöglicht eine graduelle Kontrolle der Genexpression von HP0102, und somit Einflussnahme auf die LPS Biosynthese in H. pylori. Diese Feinabstimmung der LPS O-Seitenketten und Lewis x Antigen Expression beeinflusst die Resistenz von H. pylori gegen diverse Antibiotika und könnte somit sowohl für die Kolonisierung als auch für die persistente Infektion des Wirts durch H. pylori vorteilhaft sein. Um Einblicke in die physiologische Funktion von RepG zu gewinnen, wurden in einer genom-weiten Transkriptomanalyse mittels Microarray und RNA-Sequenzierung weitere Zielgene von RepG bestimmt. Insgesamt beeinflusste die Deletion von repG die Expression von mehr als 40 potentiellen Zielgenen, welche an diversen zellulären Prozessen beteiligt sind, wie z.B. Membrantransport und Adhäsion, Aminosäure- und Nukleinsäure-Metabolismus, oxidative und nitrosative Stressantwort sowie LPS Modifizierung. Die Identifizierung von homopolymeren G-Stretchen bzw. G-reichen Sequenzen in allen ZielmRNAs deutet darauf hin, dass RepG ein konserviertes Motiv bindet, um mehrere Zielgene in H. pylori zu erkennen und zu regulieren. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit, dass H. pylori Riboregulation basierend auf sRNAs nutzt, um seine Genexpression in unterschiedlichen Stress- und Virulenzbedingungen zu regulieren. Darüber hinaus hat diese Studie Helicobacter als neuen Modelorganismus für die Untersuchung genereller Wirkungsweisen Hfq-unabhängiger sRNAs und sRNAs in bakteriellen Pathogenen etabliert.

In order to understand the regulation of gene expression in organisms, precise genome annotation is essential. In recent years, RNA-Seq has become a potent method for generating and improving genome annotations. However, this Approach is time consuming and often inconsistently performed when done manually. In particular, the discovery of non-coding RNAs benefits strongly from the application of RNA-Seq data but requires significant amounts of expert knowledge and is labor-intensive. As a part of my doctoral study, I developed a modular tool called ANNOgesic that can detect numerous transcribed genomic features, including non-coding RNAs, based on RNA-Seq data in a precise and automatic fashion with a focus on bacterial and achaeal species. The software performs numerous analyses and generates several visualizations. It can generate annotations of high-Resolution that are hard to produce using traditional annotation tools that are based only on genome sequences. ANNOgesic can detect numerous novel genomic Features like UTR-derived small non-coding RNAs for which no other tool has been developed before. ANNOgesic is available under an open source license (ISCL) at https://github.com/Sung-Huan/ANNOgesic. My doctoral work not only includes the development of ANNOgesic but also its application to annotate the transcriptome of Staphylococcus aureus HG003 - a strain which has been a insightful model in infection biology. Despite its potential as a model, a complete genome sequence and annotations have been lacking for HG003. In order to fill this gap, the annotations of this strain, including sRNAs and their functions, were generated using ANNOgesic by analyzing differential RNA-Seq data from 14 different samples (two media conditions with seven time points), as well as RNA-Seq data generated after transcript fragmentation. ANNOgesic was also applied to annotate several bacterial and archaeal genomes, and as part of this its high performance was demonstrated. In summary, ANNOgesic is a powerful computational tool for RNA-Seq based annotations and has been successfully applied to several species. / Exakte Genomannotationen sind essentiell für das Verständnis Genexpressionsregulation in verschiedenen Organismen. In den letzten Jahren entwickelte sich RNA-Seq zu einer äußerst wirksamen Methode, um solche Genomannotationen zu erstellen und zu verbessern. Allerdings ist das Erstellen von Genomannotationen bei manueller Durchführung noch immer ein zeitaufwändiger und inkonsistenter Prozess. Die Verwendung von RNA-Seq-Daten begünstigt besonders die Identifizierung von nichtkodierenden RNAs, was allerdings arbeitsintensiv ist und fundiertes Expertenwissen erfordert. Ein Teil meiner Promotion bestand aus der Entwicklung eines modularen Tools namens ANNOgesic, das basierend auf RNA-Seq-Daten in der Lage ist, eine Vielzahl von Genombestandteilen, einschließlich nicht-kodierender RNAs, automatisch und präzise zu ermitteln. Das Hauptaugenmerk lag dabei auf der Anwendbarkeit für bakterielle und archaeale Genome. Die Software führt eine Vielzahl von Analysen durch und stellt die verschiedenen Ergebnisse grafisch dar. Sie generiert hochpräzise Annotationen, die nicht unter Verwendung herkömmlicher Annotations-Tools auf Basis von Genomsequenzen erzeugt werden könnten. Es kann eine Vielzahl neuer Genombestandteile, wie kleine nicht-kodierende RNAs in UTRs, ermitteln, welche von bisherigen Programme nicht vorhergesagt werden können. ANNOgesic ist unter einer Open-Source-Lizenz (ISCL) auf https://github.com/Sung-Huan/ANNOgesic verfügbar. Meine Forschungsarbeit beinhaltet nicht nur die Entwicklung von ANNOgesic, sondern auch dessen Anwendung um das Transkriptom des Staphylococcus aureus-Stamms HG003 zu annotieren. Dieser ist einem Derivat von S. aureus NCTC8325 - ein Stamm, Dear ein bedeutendes Modell in der Infektionsbiologie darstellt. Zum Beispiel wurde er für die Untersuchung von Antibiotikaresistenzen genutzt, da er anfällig für alle bekannten Antibiotika ist. Der Elternstamm NCTC8325 besitzt zwei Mutationen im regulatorischen Genen (rsbU und tcaR), die Veränderungen der Virulenz zur Folge haben und die in Stamm HG003 auf die Wildtypsequenz zurückmutiert wurden. Dadurch besitzt S. aureus HG003 das vollständige, ursprüngliche Regulationsnetzwerk und stellt deshalb ein besseres Modell zur Untersuchung von sowohl Virulenz als auch Antibiotikaresistenz dar. Trotz seines Modellcharakters fehlten für HG003 bisher eine vollständige Genomsequenz und deren Annotationen. Um diese Lücke zu schließen habe ich als Teil meiner Promotion mit Hilfe von ANNOgesic Annotationen für diesen Stamm, einschließlich sRNAs und ihrer Funktionen, generiert. Dafür habe ich Differential RNA-Seq-Daten von 14 verschiedenen Proben (zwei Mediumsbedingungen mit sieben Zeitpunkten) sowie RNA-Seq-Daten, die von fragmentierten Transkripten generiert wurden, analysiert. Neben S. aureus HG003 wurde ANNOgesic auf eine Vielzahl von Bakterien- und Archaeengenome angewendet und dabei wurde eine hohe Performanz demonstriert. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass ANNOgesic ein mächtiges bioinformatisches Werkzeug für die RNA-Seq-basierte Annotationen ist und für verschiedene Spezies erfolgreich angewandt wurde.

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