The Staphylococcus aureus two component system (TCS) sae governs expression of numerous virulence factors, including Eap (extracellular adherence protein), which in turn among other functions also mediates invasion of host cells. The sae TCS is encoded by the saePQRS operon, with saeS coding for the sensor histidine kinase (SaeS) and saeR encoding the response regulator (SaeR). The saeRS system is preceded by two additional open reading frames (ORFs), saeP and saeQ, which are predicted to encode a lipoprotein (SaeP) and a membrane protein (SaeQ), respectively. Earlier, we have shown that SDS-containing subinhibitory concentrations of biocides (Perform®) and SDS alone activate sae transcription and increase cellular invasiveness in S. aureus strain Newman. The effect is associated with an amino acid exchange in the N-terminus of SaeS (L18P), specific to strain Newman.
In this work, the role of whether the two additional genes, saePQ coding for the accessory proteins SaeP and SaeQ, respectively, are involved in SDS-mediated saeRS was investigated. It could demonstrated that the lack of the SaeP protein resulted in an increased saeRS transcription without SDS stress in both SaeSL/P variants, while the SDS effect was less pronounced on sae and eap expression compared to the Newman wildtype, suggesting that the SaeP protein represses the sae system. Also, SDS-mediated inductions of sae and eap transcription along with enhanced invasion were found to be dependent on presence of the SaeSP variant in Newman wildtype. On the other hand, the study also shows that the saePQ region of the sae operon is required for fully functional two-component system saeRS under normal growth conditions, but it is not involved in SDS-mediated activation of the saeS signaling and sae-target class I gene, eap.
In the second approach, the study investigates whether SDS-induced sae expression and host cell invasion is common among S. aureus strains not carrying the (L18P) point mutation. To demonstrate this strain Newman, its isogenic saeS mutants, and various S. aureus isolates were analysed for sae, eap expression and cellular invasiveness. Among the strains tested, SDS exposure resulted only in an increase of sae transcription, Eap production and cellular invasiveness in strain Newman wild type and MRSA strain ST239-635/93R, the latter without an increase in Eap. Interestingly, the epidemic community-associated MRSA strain, USA300 LAC showed a biphasic response in sae transcription at different growth stages, which, however, was not accompanied by increased invasiveness. All other clinical isolates investigated displayed a decrease of the parameters tested. While in strain Newman the SDS effect was due to the saeSP allele, this was not the case in strain ST239-635/93R and the biphasic USA300 strains. Also, increased invasiveness of ST239-635/93R was found to be independent of Eap production. Furthermore, to investigate the global effect of SDS on sae target gene expression, strain Newman wild-type and Newman ∆sae were treated with SDS and analyzed for their transcription profiles of sae target genes using microarray assays. We could show that subinhibitory concentrations of SDS upregulate and downregulate gene expression of several signaling pathways involved in biosynthetic, metabolic pathways as well as virulence, host cell adherence, stress reponse and many hypothetical proteins.
In summary, the study sheds light on the role of the upstream region saePQ in SDS-mediated saeRS and eap expression during S. aureus SDS stress. Most importantly, the study also shows that subinhibitory SDS concentrations have pronounced strain-dependent effects on sae transcription and subsequent host cell invasion in S. aureus, with the latter likely to be mediated in some strains by other factors than the known invasin Eap and FnBP proteins. Moreover, there seems to exist more than the saeSP-mediated mechanism for SDS-induced sae transcription in clinical S. aureus isolates. These results help to further understand and clarify virulence and pathogenesis mechanisms and their regulation in S. aureus. / Das Zwei Komponenten-Systems (TCS) Sae in S. aureus reguliert die Expression einer Vielzahl von Virulenzfaktoren, dazu gehört unter anderem das extrazelluläre Adhärenzprotein Eap, welches neben weiteren Funktionen, die Invasion in eukaryotische Wirtszellen vermittelt. Die Gene des sae TCS sind in einem Operon organisiert (saePQRS), wobei saeS für die sensorische Histidinkinase (SaeS) und saeR für den „Response Regulator“ (SaeR) kodieren. Diesen Genen sind zwei weitere Genabschnitte, saeP und saeQ, vorangestellt, wobei saeP vermutlich für ein Lipoprotein (SaeP) und saeQ für ein Membranprotein (RelQ) kodieren. In einer früheren Arbeit konnten wir zeigen, dass SDS-haltige Biozide (Perform©) unter sub- inhibitorischen Konzentrationen, sowie reines SDS, die sae Transkription aktiviert und dadurch zu einer erhöhten Invasion des S. aureus Stamms Newman in Wirtszellen führt. Dieser Effekt ist assoziiert mit einem spezifischen Aminosäureaustausch im N-terminus von SaeS (L18P) des Stamm Newman.
In dieser Arbeit soll nun die Beteiligung der zwei zusätzlichen Gene, saeP und saeQ, an der SDS vermittelten transkriptionellen Induktion von saeR/S untersucht werden. Es konnte gezeigt werden, dass ohne SaeP, die saeR/S Transkription in beiden SaeL/P Varianten erhöht war, wobei eine zusätzliche SDS Behandlung hierfür nicht notwendig war. Im Gegenteil, es zeigte sich, dass der SDS Effekt auf die sae und eap Expression in der saeP Mutante deutlich weniger ausgeprägt ist als im Wildtyp Stamm. Das läßt vermuten, dass das Lipoprotein SaeP repremierend auf das sae System einwirkt. Des Weiteren wurde festgestellt, dass die SDS vermittelte transkriptionelle Induktion von sae und eap, zusammen mit der erhöhten Invasion, abhängig vom vorhanden sein der SaeSP Variante im Newman Wildtyp Stamm ist. Die Arbeit zeigt, dass die saePQ Region wichtig ist für die vollständige Funktion des Zwei Komponenten Systems SaeRS unter normalen Wachstumsbedingungen. Jedoch ist diese Region nicht involviert in der Aktivierung von SaeS, mit SDS als Signalgeber, sowie der darauffolgenden Aktivierung des sae Zielgens eap.
In einem zweiten Ansatz wurde untersucht, ob die SDS induzierte sae Expression und Wirtszellinvasion auch häufig in S. aureus Stämmen auftritt, welche keine (L18P)
Punktmutation besitzen. Dafür wurde Stamm Newman, die isogene saeS Mutante und verschiedene S. aureus Klinikisolate auf ihre sae, eap Expression, sowie zelluläre Invasionsfähigkeit hin analysiert. Von den getesteten Stämmen reagiert nur Wildtyp Stamm Newman und ein MRSA Stamm ST239-635/93R mit gesteigerter sae Transkription, Eap Produktion und zellulärer Invasion. Der MRSA Stamm jedoch ohne erhöhte Eap Produktion. Interessanterweise zeigt der „community- associated“ MRSA Stamm USA300 LAC eine biphasische sae Transkription in verschiedenen Wachstumsphasen, welche jedoch nicht einhergeht mit erhöhter Invasion. Alle anderen Klinikisolate zeigten abnehmende Tendenzen
in den getesteten Parametern. Während im Stamm Newman der SDS Effekt auf das saeSP
Allel zurückzuführen ist, gilt dies nicht für den Stamm ST239-635/93R, sowie den biphasischen Stamm USA300. Außerdem konnte gezeigt werden, dass die erhöhte Invasion des Stamms ST239-635/93R unabhängig von seiner Eap Produktion ist. Des Weiteren zeigten wir den globalen Effekt von SDS auf die sae Zielgenexpression. Dafür behandelten wir Wildtyp Stamm Newman mit SDS und analysierten die Transkription der sae Zielgene mittels Microarray Analyse. Wir konnten zeigen, dass subinhibitorische SDS Konzentrationen, induzierende als auch repremierende Auswirkungen auf die Genexpression haben. Dabei sind Gene betroffen, die involviert sind in verschiedene Signalwege, Biosynthese/Metabolismus als auch in Virulenz, Wirtzelladhärenz und Stressantwort.
Zusammenfassend gibt die Arbeit Aufschluss über die Rolle der „upstream“ Region saePQ hinsichtlich der SDS-abhängigen saeRS und eap Expression in S. aureus. Am wichtigsten ist hierbei die Erkenntnis, das subinhibitorische SDS Konzentrationen einen deutlichen stammabhängigen Effekt auf die sae Transkription und daraus folgernd auf die Wirtszellinvasion von S. aureus haben. Letzteres wird vermutlich in manchen Stämmen durch andere Faktoren als die bekannten Invasinproteine Eap und FnBP vermittelt. Außerdem scheint es in den klinischen S. aureus Isolaten mehr als nur den saeSP abhängigen Mechanismus der sae Induktion durch SDS zu geben. Diese Ergebnisse helfen uns die Virulenz und pathogenen Mechanismen als auch deren Regulation in S. aureus zu verstehen. Die Beobachtungen tragen zu unserem Verständnis bei, wie das sae System Signale der Umgebung detektieren kann. Dies ist bis jetzt eine Fragestellung mit vielen Unbekannten.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:14940 |
| Date | January 2014 |
| Creators | Makgotlho, Phuti Edward |
| 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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