Metabolic characterization of the pathogen Yersinia pseudotuberculosis and identification of metabolic traits co-regulated with virulence

Sest, Maike

In dieser Arbeit wurde das pathogene Bakterium Yersinia pseudotuberculosis hinsichtlich seines Stoffwechsels unter verschiedenen abiotischen Einflüssen untersucht. Zusätzlich wurden die Einflüsse von verschiedenen Virulenzregulatoren auf den Metabolismus des Bakteriums betrachtet. Für eine umfassende Analyse wurde ein systembiologischer Ansatz gewählt, bei dem Untersuchungen des Metaboloms mit denen des Transkriptoms kombiniert wurden. Das Bakterium wurde in verschiedenen Wachstumsphasen in unterschiedlichen Medien untersucht, wobei einige Veränderungen wachstumsphasenspezifisch waren: Die Konzentrationen der Nukleosid- und Citratzyklus-Intermediate sanken in der stationären Phase, während Aminosäurekonzentrationen unter niedrigen Wachstumsraten erhöht waren. Außerdem wurde der Metabolismus unter den Modelltemperaturen 25 °C und 37 °C untersucht, wobei diese jeweils den Zustand außerhalb und innerhalb des Wirtes repräsentierten. Dieser Temperaturunterschied zeigte einen erheblichen Einfluss auf den Stoffwechsel. Besonders die Aufnahme von Kohlenstoffquellen war deutlich reduziert. Zudem wies die Sekretion von großen Mengen Lactat auf einen teilweisen anaeroben Stoffwechsel während der Kultivierung bei 37 °C hin. Weiter war zu beobachten, dass viele Syntheseprozesse in der Zelle herunterreguliert wurden, während Degradationsprozesse heraufreguliert wurden, was reduzierte Aminosäure- und Fettsäurekonzentrationen zur Folge hatte und auf eine erhöhte Aufnahme dieser Stoffe aus dem Wirt hinwies. Die untersuchten Virulenzregulatoren, RovA, RovM, CsrA, YmoA und Crp, übten alle einen signifikanten Einfluss auf den Metabolismus aus. Der Regulator RovA zeigte einen deutlichen Einfluss auf den Nucleosidabbau und auf die Regulierung der Säureresistenz. Weitere virulenzregulierte Stoffwechselwege waren die zentralen Kohlenstoffwege, die Fettsäuresynthese und der Aminosäureabbau, wobei besonders der Argininabbau häufiger Regulierung durch das CsrA-RovM-RovA-System unterworfen war.

In this work the food-borne pathogenic bacterium Yersinia pseudotuberculosis was investigated regarding its metabolism under different abiotic influences such as temperature and nutrition. Further, the influence of several central virulence regulators on the metabolism of the bacteria was examined. For a comprehensive analysis, methods of the systems-biology were applied, including the combination of metabolomics and transcriptomics. The bacterium was investigated during different growth phases in different media, detecting different growth phase-dependent changes in the metabolites. The concentrations of nucleoside and citrate cycle intermediates were particularly decreased in the stationary phase. On the other hand, the amino acid pools increased during low growth rates. The metabolism of the bacterium was further investigated at the model-temperatures 25 °C and 37 °C, which respectively represent the situation outside and inside the host. The temperature differences showed a considerable influence on the metabolism, exceeding the reactions of other microorganisms. Particularly, the uptake of carbon sources was vastly impaired. The secretion of high amounts of lactate indicated a partly anaerobe metabolism at 37 °C. Further, many biosynthesis processes were down-regulated, while degradation processes were up-regulated. As a consequence, many amino acid and fatty acid pools were reduced and an increased uptake of nutrients from the host was suspected. The analyzed virulence regulators were RovA, RovM, CsrA, YmoA and Crp, which all showed a significant influence on the metabolism. The influence of the regulator RovA was clearly demonstrated on the degradation of nucleosides and on the regulation of acid resistance. The central carbon pathways, the fatty acid biosynthesis and certain amino acid degradation pathways were also affected by the regulators, wherein particularly the arginine degradation seemed to have a prominent role.

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Sest, Maike: Metabolic characterization of the pathogen Yersinia pseudotuberculosis and identification of metabolic traits co-regulated with virulence. 2013.

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