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).
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:15067 |
| Date | January 2018 |
| Creators | Hock Siew, Tan |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/de/deed.de, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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