Small proteins, often defined as shorter than 50 amino acids, have been implicated
in fundamental cellular processes. Despite this, they have been largely understudied throughout all domains of life, since their size often makes their identification and characterization challenging.
This work addressed the knowledge gap surrounding small proteins with a focus
on the model bacterial pathogen Salmonella Typhimurium. In a first step,
new small proteins were identified with a combination of computational and experimental approaches. Infection-relevant datasets were then investigated with
the updated Salmonella annotation to prioritize promising candidates involved in virulence.
To implement the annotation of new small proteins, predictions from the algorithm
sPepFinder were merged with those derived from Ribo-seq. These were added to the Salmonella annotation and used to (re)analyse different datasets. Information
regarding expression during infection (dual RNA-seq) and requirement for virulence (TraDIS) was collected for each given coding sequence. In parallel,
Grad-seq data were mined to identify small proteins engaged in intermolecular
interactions.
The combination of dual RNA-seq and TraDIS lead to the identification of small
proteins with features of virulence factors, namely high intracellular induction
and a virulence phenotype upon transposon insertion. As a proof of principle of
the power of this approach in highlighting high confidence candidates, two small
proteins were characterized in the context of Salmonella infection.
MgrB, a known regulator of the PhoPQ two-component system, was shown to be essential for the infection of epithelial cells and macrophages, possibly via its stabilizing effect on flagella or by interacting with other sensor kinases of twocomponent
systems. YjiS, so far uncharacterized in Salmonella, had an opposite role in infection, with its deletion rendering Salmonella hypervirulent. The mechanism underlying this, though still obscure, likely relies on the interaction with
inner-membrane proteins.
Overall, this work provides a global description of Salmonella small proteins in
the context of infection with a combinatorial approach that expedites the identification
of interesting candidates. Different high-throughput datasets available for
a broad range of organisms can be analysed in a similar manner with a focus on small proteins. This will lead to the identification of key factors in the regulation
of various processes, thus for example providing targets for the treatment of bacterial
infections or, in the case of commensal bacteria, for the modulation of the microbiota composition. / Kleine Proteine, oft definiert als kürzer als 50 Aminosäuren, sind in fundamentale
zelluläre Prozesse involviert. Trotzdem sind sie in allen Domänen des Lebens
noch weitgehend unerforscht, da ihre Größe ihre Identifizierung und Charakterisierung
oft schwierig macht.
Diese Arbeit adressiert die Wissenslücke um kleine Proteine mit einem Fokus
auf das bakterielle Modellpathogen Salmonella Typhimurium. In einem ersten
Schritt wurden neue kleine Proteine mit einer Kombination aus bioinformatischen
und experimentellen Ansätzen identifiziert. Anschließend wurden infektionsrelevante
Datensätze mit der aktualisierten Salmonella-Annotation untersucht, um
vielversprechende Kandidaten zu priorisieren, die an der Virulenz beteiligt sind.
Um die Annotation neuer kleiner Proteine zu implementieren, wurden die
Vorhersagen aus dem Algorithmus sPepFinder mit denen aus Ribo-seq kombiniert.
Diese wurden der Salmonella-Annotation hinzugefügt und zur (Re-)Analyse verschiedener
Datensätze verwendet. Für jede gegebene kodierende Sequenz wurden
Informationen zur Expression während der Infektion (duale RNA-seq) und zum
Beitrag zur Virulenz (TraDIS) gesammelt. Parallel dazu wurden Grad-seq-Daten
ausgewertet, um kleine Proteine zu identifizieren, die an intermolekularen Interaktionen
beteiligt sind.
Die Kombination von dualer RNA-seq und TraDIS führte zur Identifizierung
von kleinen Proteinen mit Merkmalen von Virulenzfaktoren, nämlich einer hohen
intrazellulären Induktion und einem Virulenz-Phänotyp nach Transposon-
Insertion. Als Beweis für die Leistungsfähigkeit dieses Ansatzes Identifikation
von vielversprechenden Kandidaten wurden zwei kleine Proteine im Kontext einer
Salmonella-Infektion charakterisiert.
MgrB, ein bekannter Regulator des PhoPQ-Zweikomponentensystems, erwies
sich als ein für die Infektion von Epithelzellen und Makrophagen essentielles Protein,
möglicherweise über seine stabilisierende Wirkung von Flagellen oder durch Interaktion mit Sensorkinasen von Zweikomponentensystemen. YjiS, das in Salmonella
bisher nicht charakterisiert wurde, hatte eine entgegengesetzte Rolle bei
der Infektion, wobei seine Deletion Salmonella hypervirulent macht. Der Mechanismus,
der dem zugrunde liegt, ist zwar noch unklar, beruht aber wahrscheinlich
auf der Interaktion mit inneneren Membranproteinen.
Insgesamt liefert diese Arbeit eine globale Beschreibung der kleinen Salmonella-
Proteine im Kontext der Infektion mit einem kombinatorischen Ansatz, der die
Identifizierung interessanter Kandidaten beschleunigt. Verschiedene Hochdurchsatz-
Datensätze, die für ein breites Spektrum von Organismen verfügbar sind, können
auf ähnliche Weise mit einem Fokus auf kleine Proteine analysiert werden.
Dies wird zur Identifizierung von Schlüsselfaktoren in der Regulation verschiedener
Prozesse führen und damit z. B. Targets für die Behandlung bakterieller Infektionen
oder, im Falle kommensaler Bakterien, für die Modulation der Mikrobiota-
Zusammensetzung liefern.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:24702 |
| Date | January 2021 |
| Creators | Venturini, Elisa |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/deed.de, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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