Staphylococcus aureus is a versatile human pathogen that normally develops acute or chronic infections. The broad range of diseases caused by this bacterium facilitates the escape from the host's immune response as well as from target-specific antimicrobial therapies. Nevertheless, the underlying cellular and molecular mechanisms that enable S. aureus to cause these disparate types of infections are largely unknown. In this work, we depicted a novel genetic program involved in the development of cell-fate decision, which promotes the differentiation of the staphylococcal cells into two genetically identical but differently heritable cell lines capable of defining the course of an infection, by simultaneously progressing to (i) a biofilm-associated chronic infection or (ii) a disperse acute bacteremia. Here, S. aureus growing in architecturally complex multicellular communities harbored different cell types that followed an exclusive developmental plan, resulting in a clonal heterogeneous population. We found that these cell types are physiologically specialized and that, this specialization impacts the collective behavior within the multicellular aggregates. Whereas one cell line that we named BRcells, promotes biofilm formation that engenders chronic infections, the second cell line, which we termed DRcells is planktonic and synthetizes virulence factors, such as toxins that can drive acute bacteremia. We identified that the positive feedback loop present in Agr quorum sensing system of S. aureus acts a bimodal switch able to antagonistically control the divergence of these two physiologically distinct, heritable cell lines. Also, we found that this bimodal switch was triggered in response to environmental signals particularly extracellular Mg2+, affecting the size of the subpopulations in specific colonization environments. Specifically, Mg2+-enriched environments enhanced the binding of this cation to the staphylococcal teichoic acids, increasing the rigidity of the cell wall and triggering a genetic program involving the alternative sigma factor σB that downregulated the Agr bimodal switch, favoring the enrichment of the BRcells type. Therefore, colonization environments with different Mg2+ content favored different outcomes in the bimodal system, defining distinct ratio in the BRcells/DRcells subpopulations and the S. aureus outcome in our in vitro model of development of multicellular aggregates and, the infection outcome in an in vivo mice infection model. In this prime human pathogen cell-fate decision-making generates a conserved pattern of heritable, physiological heterogeneity that actively contributes to determine the course of an infection through the emergence and spatio-temporal dynamics of distinct and specialized cell types. In conclusion, this work demonstrates that cell differentiation in pathogenic bacteria is a fundamental phenomenon and its understanding, is central to understand nosocomial infections and to designing new anti-infective strategies / Staphylococcus aureus ist ein wandlungsfähiges humanes Pathogen, das im Allgemeinen akute oder chronische Infektionen entwickelt. Das breite Spektrum von Krankheiten, die von diesem Bakterium verursacht werden, erleichtert es, sowohl der Immunantwort des Wirts als auch gezielten antimikrobiellen Therapien zu entgehen. Dennoch sind die zellulären und molekularen Mechanismen, die S. aureus die Entwicklung dieser verschiedenartigen Infektionsarten ermöglichen, weitgehend unbekannt. In dieser Arbeit beschreiben wir ein neues genetisches Programm, das bei der Entwicklung der Zelldifferenzierung beteiligt ist und die Differenzierung der Staphylokokken-Zellen in zwei genetisch identische, aber unterschiedliche, erbliche Zelllinien fördert. Diese können den Verlauf einer Infektion bestimmen, indem sie sich gleichzeitig entwickeln zu (i) einer Biofilm-assoziierten chronischen Infektion oder (ii) einer sich ausbreitenden akuten Bakteriämie. Hier verbirgt S. aureus, der in architektonisch komplexen multizellulären Bakteriengemeinschaften wächst, verschiedene Zelltypen, die einem einzigartigen Entwicklungsplan folgen, resultierend in einer klonal heterogenen Population. Wir haben festgestellt, dass diese Zellzypen physiologisch spezialisiert sind, und dass diese Spezialisierung das kollektive Verhalten innerhalb der multizellulären Aggregate beeinflusst. Während eine Zelllinie, die wir als BRcells benennen, Biofilm-Bildung fördert, was chronische Infektionen erzeugt, ist die zweite Zelllinie, als DRcells bezeichnet, planktonisch und synthetisiert Virulenzfaktoren wie Toxine, die eine akute Bakteriämie verursachen können. Wir haben identifiziert, dass die im Agr Quorum sensing System von S. aureus vorhandene positive Rückkopplung als bimodaler Schalter agiert, der antagonistisch die Divergenz dieser beiden physiologisch unterschiedlichen, vererbbaren Zelllinien kontrolliert. Wir haben auch gefunden, dass dieser bimodale Schalter durch Signale aus der Umgebung ausgelöst wird, insbesondere durch extrazelluläres Mg2+, wodurch die Größe der Subpopulationen in spezifischen Kolonisierungsumgebungen beeinflusst wird. Besonders Mg2+-angereicherte Umgebungen fördern die Bindung dieses Kations mit den Teichonsäuren von Staphylokokken, welche die Steifigkeit der Zellwand erhöhen und ein genetisches Programm initialisieren, welches den alternativen Sigmafaktor σB beinhaltet. Dieser regelt den bimodalen Agr Schalter herunter und begünstigt die Anreicherung des Brcells Zelltyps. Daher begünstigen verschiedene Kolonisierungsumgebungen mit verschiedenem Mg2+ Gehalt unterschiedliche Ergebnisse im bimodalen System, welche sich in individuellen Verhältnissen der Brcells/Drcells Subpopulationen und dem Ergebnis für S. aureus – sowohl in unserem in vitro Modell der Entwicklung multizellulärer Aggregate als auch der Entzündungsentwicklung in einem in vivo Maus-Infektionsmodell. In diesem primären Humanpathogen generiert die Zelldifferenzierung ein bleibendes Muster von vererbbarer, physiologischer Heterogenität, die aktiv dazu beiträgt, den Infektionsverlauf durch das Auftreten und die räumlich-zeitliche Dynamik verschiedener spezialisierter Zelltypen zu bestimmen. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit, dass Zelldifferenzierung in pathogenen Bakterien ein grundlegendes Phänomen ist. Diese zu erfassen ist zentral für das Verständnis nosokomialer Infektionen und die Konzeption neuer Strategien gegen Infektionen.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:14805 |
| Date | January 2018 |
| Creators | Garcia Betancur, Juan Carlos |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/doku/lic_mit_pod.php, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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