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Analysis of the RNA-based mechanisms controlling virulence in Yersinia pseudotuberculosis

Vollmer, Ines Jennifer

The enteropathogen Yersinia pseudotuberculosis is confronted with diverse challenges in the environment as well as in its host. Upon entry into the human body, two infection phases, the early and ongoing infection phase, can be distinguished and several virulence factors allow the transition between these phases. 

Ribonucleases (RNases) are essential enzymes in the bacterial RNA metabolism. Their targets range from tRNAs, rRNAs and mRNAs to small RNAs (sRNAs) and the many different RNases can vary significantly in their mode of action and activity. In this study, knockouts of several RNases were generated and it was shown that especially RNase III and PNPase have a crucial impact on several virulence-associated traits.  

In the early infection phase, invasin is a crucial factor for Y. pseudotuberculosis in order to invade their target cells in the small intestine. Invasin levels are controlled by a regulatory cascade that involves the Csr-system, as well as RovA and RovM. This study revealed that PNPase exhibits a positive effect on the sRNAs CsrC/CsrB and on invasin. On the other hand, RovM was strongly upregulated, which reduced the invasion-ability of the PNPase mutant. RovM and RovC are known to positively affect the type VI secretion system-4 (T6SS-4) in Y. pseudotuberculosis. Similar to RovM, RovC was also upregulated in the PNPase mutant and loss of PNPase was shown to increase the stability of rovC mRNA.

In the ongoing infection phase, bacteria have to defend themselves against the immune system in the underlying tissues of the small intestine. The type III secretion system (T3SS) is essential in this defence and is usually repressed by sophisticated regulatory mechanisms until secretion is induced, for example by host cells contact. In this study, RNase III was found to downregulate T3S, synthesis of T3S-related proteins and their mRNAs, as well as the regulator of the T3SS, LcrF, under non-secretion conditions. RNAseq analysis revealed far-reaching effects of RNase III, which seemed mostly contrary to those of PNPase. 

Together, the results in this work indicate that PNPase regulates virulence-associated traits during the early phase of infection, while RNase III is involved in the precise expression of factors that allow Y. pseudotuberculosis to evade the immune system.

Das Enteropathogen Yersinia pseudotuberculosis ist sowohl in der Umwelt als auch in seinem Wirt mit vielfältigen Herausforderungen konfrontiert. Beim Eintritt in den menschlichen Körper können die frühe und die laufende Infektionsphase unterschieden werden und verschiedene Virulenzfaktoren ermöglichen den Übergang zwischen diesen Phasen.

Ribonukleasen (RNasen) sind essentielle Enzyme im RNA-Metabolismus. Ihre Targets reichen von tRNAs, rRNAs und mRNAs bis hin zu kleinen RNAs (sRNAs) und die vielen verschiedenen RNasen können stark in ihrer Wirkungsweise und Aktivität variieren. In dieser Studie wurden Knockouts mehrerer RNasen erzeugt und es wurde gezeigt, dass RNase III und PNPase einen entscheidenden Einfluss auf verschiedene virulenzassoziierte Merkmale haben. 

In der frühen Infektionsphase ist Invasin ein entscheidender Faktor für Y. pseudotuberculosis, um in ihre Zielzellen im Dünndarm zu invadieren. Die Menge an Invasin wird durch eine regulatorische Kaskade gesteuert, an der das Csr-System, RovA und RovM beteiligt sind. In dieser Studie zeigte PNPase einen positiven Effekt auf die sRNAs CsrC/CsrB und auf Invasin. Zusätzlich war RovM stark hochreguliert, was die Invasionsfähigkeit der PNPase-Mutante verringerte. Es ist bekannt, dass RovM und RovC das Typ VI-Sekretionssystem-4 (T6SS-4) bei Y. pseudotuberculosis positiv beeinflussen. Ähnlich wie RovM wurde auch RovC in der PNPase-Mutante hochreguliert, und es wurde gezeigt, dass der Verlust von PNPase die Stabilität der rovC-mRNA erhöht.

In der laufenden Infektionsphase müssen sich Bakterien gegen das Immunsystem in den darunter liegenden Geweben des Dünndarms verteidigen. Das Typ III-Sekretionssystem (T3SS) ist für diese Abwehr von wesentlicher Bedeutung und wird normalerweise durch ausgeklügelte Regulationsmechanismen unterdrückt, bis die Sekretion induziert wird, beispielsweise durch Kontakt mit Wirtszellen. In dieser Studie wurde festgestellt, dass RNase III die T3S, die Synthese von T3S-verwandten Proteinen und deren mRNAs sowie den Regulator des T3SS, LcrF, unter Nichtsekretionsbedingungen herunterreguliert. Die RNAseq-Analyse ergab weitreichende Auswirkungen von RNase III, die denen von PNPase größtenteils entgegengesetzt schienen.

Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass PNPase virulenzassoziierte Merkmale während der frühen Phase der Infektion reguliert, während RNase III an der Expression von Faktoren beteiligt ist, die es Y. pseudotuberculosis ermöglichen, dem Immunsystem auszuweichen. 

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