Regulatory and metabolic adaptation of Pseudomonas aeruginosa to changes in oxygen tension and growth phase

Benkert, Beatrice

Anaerobic growth and persistence are major prerequisites for a successful infection by the opportunistic pathogen P. aeruginosa. Central regulatory strategies of Pseudomonas aeruginosa were investigated at the gene regulatory and metabolic level. Transcriptome analyses of the P. aeruginosa wild type and a narL mutant defective in the nitrate response regulator required for anaerobic growth identified 42 genes as members of the NarL regulon. Importantly, NarL induces expression of the nitrate reductase operon narK1K2GHJI and of genes involved in the biosynthesis of enzymatic cofactors and represses transcription of the rhl quorum sensing genes indicating an interaction of these two regulatory networks both associated with pathogenicity. Additionally, northern blot analysis and promoter lacZ reporter gene studies confirmed NarL mediated repression of the arginine fermentation operon arcDABC. Thus NarXL coordinates the anaerobic energy metabolism via induction of nitrate respiration and repression of less efficient arginine fermentation. Promoter lacZ reporter gene studies of the Anr-dependent arcD and Dnr-dependent nirS promoter clearly demonstrated that the downstream region of the Anr binding site consisting of the - 10 region mediates Anr and Dnr specific gene regulation and that Dnr specificity further requires the Anr binding site upstream region indicating an involvement of additional regulators. Metabolome and transcriptome analyses of the P. aeruginosa wild type revealed several pathways affected by changes in growth phase and showed overall downregulation of the carbohydrate and amino acid metabolism in stationary phase at both levels. Interestingly, GC-MS analyses identified various new cellular responses not found with microarrays, e. g. production of the polyamine cadaverine related to pathogenicity.

Anaerobes Wachstum und Persitenz sind wichtige Vorraussetzungen für eine erfolgreiche Infektion des opportunistischen Pathogens P. aeruginosa. Zentrale regulatorische Strategien von P. aeruginosa wurden auf regulatorischer und metabolischer Ebene untersucht. Transkriptom Analysen des P. aeruginosa Wildtyps und einer narL Mutante mit defektem Nitrat detektierenden Antwortregulator identifizierten 42 Gene als Mitglieder des NarL Regulons. NarL induziert die Expression des Nitratreduktase Operons narK1K2GHJI und von Genen, welche in die Biosynthese enzymatischer Kofaktoren involviert sind und reprimiert die Transkription der rhl Quorum Sensing Gene, was wiederum eine Interaktion dieser beiden regulatorischen Netzwerke andeutet. Zudem bestätigten Northern Blot Analysen und Promotor-lacZ Reportergen Studien die durch NarL vermittelte Repression des Arginin Fermentation Operons arcDABC. Folglich koordiniert NarXL den anaeroben Energie Metabolismus durch Induktion der Nitrat Respiration und Repression der Arginin Fermentation. Promotor-lacZ Reportergen Studien des Anr abhängigen arcD und des Dnr abhängigen nirS Promotors zeigten, dass die der Anr Bindestelle stromabwärts gelegene Region, welche die – 10 Region enthält, die Anr und Dnr spezifische Genregulation vermittelt und dass die Dnr Spezifität zudem durch die der Anr Bindestelle stromaufwärts gelegene Region beeinflusst wird, was auf eine Beteiligung zusätzlicher Regulatoren hinweist. Metabolom und Transkriptom Analysen des P. aeruginosa Wildtyps identifizierten verschiedene Stoffwechselwege, welche durch Änderungen der Wachstumsphase affektiert wurden und zeigten sowohl auf Metabolom- als auch auf Transkriptomebene einen weniger aktiven Kohlenhydrat- und Aminosäure-Metabolismus in der Stationärphase. Interessanterweise konnten durch GC-MS Analysen neue zelluläre Antworten, wie z. B. die Produktion des Polyamins Cadaverin, beschrieben werden, welche anhand der Mikroarray Analysen nicht erkennbar waren.

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Benkert, Beatrice: Regulatory and metabolic adaptation of Pseudomonas aeruginosa to changes in oxygen tension and growth phase. 2009.

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