Underlying principles of bistability in the expression of the pivotal virulence regulator RovA of Yersinia pseudotuberculosis and its role for virulence

Schuster, Franziska

Das enteropathogene Bakterium Yersinia pseudotuberculosis wechselt regelmäßig zwischen der Umwelt und seinem Wirt umher und muss sich dabei verschiedenen Herausforderungen wie Nährstoffschwankungen und Angriffen des Immunsystems stellen. Die bistabile Expression von wichtigen Regulatoren ist daher ein evolutiver Vorteil, um diese schnellen Veränderungen der Umweltbedingungen zu überleben. RovA von Y. pseudotuberculosis ist ein Proteinthermosensor, der frühe Virulenzfaktoren wie Invasin reguliert. Durch Konformationsänderungen erkennt RovA Temperaturunterschiede, welche beim Eindringen in den Wirt auftreten. RovA wird in Y. pseudotuberculosis temperaturabhängig bistabil exprimiert. Dies führt in einem bestimmten Temperaturbereich zu RovA-positiven und RovA-negativen Subpopulationen. In der vorliegenden Arbeit wurden die Mechanismen untersucht, die zur Entstehung der bistabilen Expression von rovA führen. Außerdem wurde die Rolle bistabiler rovA Expression während der Infektion analysiert. Durch Zeitreihenaufnahmen konnte die Dynamik des bistabilen Wechsels der rovA Expression dargestellt werden, welche durch Hysterese gekennzeichnet ist; einem Gedächtnis-ähnlichem Verhalten von Zellen. Mit Hilfe von Mutantenanalysen konnte gezeigt werden, dass die Fähigkeit von RovA, Temperaturschwankungen wahrzunehmen, sowie die Proteolyse von RovA, entscheidend sind für die korrekte bistabile rovA Expression. Neben diesen temperaturabhängigen Faktoren wurde entdeckt, dass PhoP des Zweikomponentensystems PhoP/PhoQ die bistabile Expression von rovA beeinflusst. PhoP reagiert auf geringe Mg2+-Konzentrationen und antimikrobielle Peptide und aktiviert indirekt die Expression von rovA durch direkte Interaktion mit der nicht-kodierenden RNA CsrC. Dadurch wurde der erste direkte Aktivator der csrC Transkription in Y. pseudotuberculosis identifiziert. Des Weiteren wurde in dieser Arbeit im murinen oralen Infektionsmodell die Existenz von RovA-positiven und RovA-negativen Subpopulationen in Peyer'schen Plaques und im Caecum aufgedeckt. Außerdem konnte gezeigt werden, dass Mutanten, welche eine stabile RovA Variante exprimieren, eine attenuierte Virulenz ähnlich zur rovA Deletionsmutante aufweisen. Zusammengefasst zeigt diese Arbeit, dass die bistabile rovA Expression sehr robust gegenüber Störungen ist und dass ein genaue RovA-Menge entscheidend für die Virulenz von Y. pseudotuberculosis ist.

The enteropathogenic bacterium Yersinia pseudotuberculosis switches routinely between a free-living lifestyle and host colonization. The bacterium is thereby confronted with different environmental challenges, such as nutrient fluctuations and responses of the host immune system. The bistable expression of important regulators is an advantageous mechanism, evolved in order to survive rapid changes of environmental conditions. RovA of Y. pseudotuberculosis is a protein thermosensor regulating early-stage virulence factors, such as invasin. Due to conformational changes, RovA recognizes temperature shifts, which occur when invading a host. RovA was shown to be expressed in a temperature-dependent bistable manner in Y. pseudotuberculosis leading to RovA “ON” and RovA “OFF” subpopulations within a certain temperature range. In the present study, the mechanisms leading to the establishment of bistable expression of rovA and its role during infection were investigated. Time-lapse microscopy was employed to examine the dynamics of the switching-process of bistable rovA expression, revealing hysteresis, a memory-like behaviour of cells. The analysis of different RovA mutants demonstrated that the thermosensing capacity and proteolysis of RovA are important for accurate bistable rovA expression. Besides temperature-dependent factors influencing bistable rovA expression, PhoP of the two-component system PhoP/PhoQ was found to affect bistable rovA expression. PhoP, which responds to low Mg2+-concentrations and antimicrobial peptides, was discovered to indirectly activate rovA expression through direct interaction with the non-coding RNA CsrC, thereby connecting two regulatory networks. Thus, the first direct activator of csrC transcription in Y. pseudotuberculosis was identified in this study. Furthermore, this work uncovered the existence of RovA-positive and RovA-negative subpopulations in murine Peyer’s patches and murine caecum during the infection of mice. Moreover, it was demonstrated that mutants expressing stabilized variants of RovA are clearly attenuated in virulence similar to a rovA deletion mutant. In summary, this study reveals that bistable rovA expression is very robust to perturbations and that precise RovA-levels are crucial for Y. pseudotuberculosis to achieve full virulence.

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Schuster, Franziska: Underlying principles of bistability in the expression of the pivotal virulence regulator RovA of Yersinia pseudotuberculosis and its role for virulence. 2015.

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