Contribution of the stringent response and Anr to anaerobic survival of Pseudomonads

Steen, Annika

In this study adaptation of Pseudomonas aeruginosa and Pseudomonas putida to changes in nutrient and oxygen availability was investigated. P. aeruginosa mutant strains unable to carry out the stringent response, mediating bacterial adaptation to growth-inhibiting stress conditions, were shown to have a severe growth defect in the absence of oxygen. This defect was to some extent abolished by rendering the strains unable to produce nitric oxide via denitrification, suggesting nitric oxide mediates the observed anaerobic growth defect. To determine the contribution of the stringent response to gene regulation under anaerobic conditions transcriptome analysis was carried out. This analysis did not directly indicate an accumulation of nitric oxide via denitrification in strains unable to carry out the stringent response, but revealed a deregulation of several genes involved in denitrification. The stringent response also is involved in transcriptional regulation of cellular processes contributing to P. aeruginosa pathogenesis, like alginate biosynthesis or type VI secretion. In the second part of this study contribution of the stringent response as well as oxygen-sensing transcriptional regulator Anr to adaptation of the obligate aerobic bacterium P. putida KT2440 to oxygen depletion was investigated. Anr-dependent gene regulation in P. putida was compared to that in P. aeruginosa PAO1 in order to define Anr-regulons in obligate aerobic compared to facultative anaerobic Pseudomonads. Additionally, gene clusters encoding various steps of the P. aeruginosa denitrification system were tested for their ability to promote P. putida anaerobic growth. PAO1 nitrate or nitrite and nitric oxide reductases did not enable KT2440 anaerobic growth but mediated a prolonged anaerobic survival. Transcriptome analysis with the respective strains revealed that expression of the denitrification genes might increase copper stress in P. putida.

In dieser Arbeit wurde die Anpassung von Pseudomonas aeruginosa und Pseudomonas putida an Änderungen der Nähr- und Sauerstoff-Verfügbarkeit untersucht. P. aeruginosa Mutantenstämme, die keine für eine Anpassung an Wachstums-inhibibierende Stressbedingungen wichtige stringente Kontrolle ausüben können, zeigten einen Wachstumsdefekt in Abwesenheit von Sauerstoff. Dieser wurde teilweise aufgehoben, wenn die Stämme kein Stickstoffmonoxid über die Denitrifikation produzieren konnten, was einen möglichen Stickstoffmonoxid-vermittelten Wachstumsdefekt impliziert. Die Rolle der stringenten Kontrolle in der Genregulation unter anaeroben Bedingungen wurde mit Transkriptomanalysen untersucht. Diese lieferten keinen direkten Hinweis auf eine Akkumulation von Stickstoffmonoxid über die Denitrifikation in den Mutantenstämmen, welche die stringente Kontrolle nicht ausüben können, zeigten aber eine Deregulation in die Denitrifikation involvierter Gene. Die stringente Kontrolle kontrolliert zudem die Transkription zur P. aeruginosa Pathogenese beitragender Prozesse, wie Alginatbiosynthese oder Typ VI Sekretion. Im zweiten Teil der Arbeit wurde die Anpassung des obligat aeroben Bakteriums P. putida KT22440 an Sauerstoffmangel über die stringente Kontrolle sowie den Sauerstoff-detektierenden transkriptionellen Regulators Anr untersucht. Die Anr-abhängige Genregulation von P. putida und P. aeruginosa wurde verglichen, um das Anr-Regulon von obligat aeroben und fakultativ anaeroben Pseudomonaden zu bestimmen. Des weiteren wurden für das P. aeruginosa Denitrifikationssysteme codierende Gencluster bezüglich ihrer Fähigkeit, das anaerobe Wachstum von P. putida zu vermitteln, untersucht. Die P. aeruginosa PAO1 Nitrat- sowie Nitrit- und Stickstoffmonoxidreduktasen erlaubten kein anaerobes Wachstum von P. putida, aber verlängerten das anaerobe Überleben. Transkriptomanalysen zeigten, dass Expression der Denitrifikationsgene möglicherweise den Kupferstress in P. putida erhöht.

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Steen, Annika: Contribution of the stringent response and Anr to anaerobic survival of Pseudomonads. 2011.

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