Charakterisierung der CsrA-vermittelten Modulation des bakteriellen Stoffwechsels und seiner Wirkung auf die Pathogenität

Abstract

Pathogene Bakterien sind in der Lage sich verschiedenen Umweltbedingungen anzupassen und die Immunantwort des Wirts zu umgehen. Diese Fähigkeit erfordert eine schnelle Anpassung der Genexpression, Translation und des Stoffwechsels auf molekularer Ebene. Das csr-System (carbon storage regulator) ist ein globales Regulationssystem, das zwischen verschiedenen Bakteriengattungen konserviert ist. Das System besteht aus dem dimeren mRNA-bindenden Protein CsrA und kleinen regulatorischen RNAs, die die CsrA-Aktivität unterdrücken. Die regulatorische Funktion von CsrA beruht auf der Bindung des Proteins an GGA-Motive der mRNA, die oft nahe der ribosomalen Bindungsstelle lokalisiert sind. Aufgrund der Bindung von CsrA wird die Ribosomenbindestelle blockiert, sodass eine Translation verhindert wird. In dieser Studie haben wir den globalen Einfluss von CsrA auf den bakteriellen Stoffwechsel unter Verwendung von Hochleistungsflüssigkeitschromatographie und Gaschromatographie, gekoppelt mit Massenspektrometrie, zur weiteren Identifizierung von Metaboliten analysiert. Durch die Kombination verschiedener Chromatographietechniken wurde die Abdeckung des Metaboloms und des Lipidoms maximiert, was Einblick in die regulatorische Funktion von CsrA ermöglichte, indem insgesamt 159 Metaboliten identifiziert wurden. Eine weitere Kombination mit RNA-Sequenzierung führte zu einem Multi-Omics-Ansatz, der das Wissen über die regulatorischen Funktionen des csr-Systems erweiterte. Mit optimierten Wachstumsmedien zur Induktion der Virulenzfaktor-Expression im Modellorganismus EPEC E2348 / 69 beobachteten wir dramatische Veränderungen in der Transkriptom- und Metabolom-Landschaft der ∆csrA Mutante. Mittels Elektronenmikroskopie konnten außerdem dramatische, morphologische Veränderungen in Form von vesikelartigen Strukturen auf der Zelloberfläche beobachtet werden. Dies führte zu der Hypothese, dass dies eine Folge der starken Hochregulierung des Kolonsäuresynthesoperons ist, die auch in den Transkriptomdaten deutlich sichtbar war und durch die Quantifizierung der Kolonsäure- und Exopolyssacharidproduktion im Mutantenstamm unterstützt wurde. Auch andere Stoffwechselwege wie Enterobactin-Biosynthese, Virulenzgenexpression, Kohlenhydratmetabolismus, Synthese aromatischer Aminosäuren, Nucleosid-Salvage-Wege und Lipidmetabolismus wurden ebenfalls stark durch die Deletion von csrA beeinflusst und wurden in der Literatur nicht oder nur teilweise beschrieben.