Interaction of Sa3int Prophages with their Host Bacterium Staphylococcus aureus

Abstract

Prophages are highly abundant within S. aureus isolates and represent a major part of the staphylococcal accessory genome with some prophages providing S. aureus with additional virulence traits. Staphylococcal prophages are categorized according to homology of their respective integrase gene (int). Those of the Sa3int category are of particular importance, especially in the context of host jump and adaption to the human host. Sa3int prophages reside in most human colonizing S. aureus isolates whereas in animal isolates they are mostly absent. In addition, Sa3int prophages carry several human specific virulence genes on their genomes, thereby aiding survival of their host bacterium in the human host. The major aims of this thesis were to 1) identify differences in the phage life cycle in different host strain backgrounds and to 2) decipher molecular mechanisms involved in the interaction between the host bacterium and the phage. In this work, I show that the biology of Sa3int prophages (Ф13 and ФN315) is dependent on the staphylococcal host strain background. This indicates that so far, ill-defined bacterial factors interfere with phage biology. In detail, spontaneous transfer within co-culture, lysogenization and induction of Sa3int prophages is distinctive within different S. aureus isolates. This is caused by differences in phage replication, which resulted from differences in transcription of lytic phage genes, in particular of replication- and morphogenesis-associated genes. Prediction of transcriptional start sites (TSSs) on the Sa3int prophage Ф13 revealed strain-specific differences, which I hypothesize to be a consequence of variations in posttranscriptional processing of mRNAs. Furthermore, this implies that phage gene regulation is more complex than initially thought and putatively involves regulatory sRNAs. To answer the question whether presence of Sa3int prophages influences host gene expression in a strain-specific manner, I performed differential gene expression analysis. Several genes that show altered transcription in presence of prophage Ф13 were identified, for instance several proteases (sspA, sspB and aur). That indicates that modulation of the expression of host virulence genes might influence bacterial colonization. Using a customized bioinformatical analysis workflow, we successfully performed the first differential gene expression analysis for the direct comparison of two S. aureus isolates that belong to different clonal lineages. Application of this workflow led to the identification of UvrA, playing a previously unknown role in phage replication. The thesis in hand gives general and comprehensive insights in strain specific differences in key stages of the Sa3int phage life cycle and the interaction with its host Staphylococcus aureus.

Dissertation ist gesperrt bis zum 01.03.2024 !!

Prophagen sind sehr häufig in S. aureus Isolaten zu finden und stellen einen großen Teil des akzessorischen Genoms dar. Zudem sind sie in der Lage zusätzliche Virulenzeigenschaften auf S. aureus zu übertragen. Prophagen von Staphylokokken werden entsprechend der Ähnlichkeit ihrer Integrase (int) in unterschiedliche Kategorien eingeteilt. Prophagen der Kategorie Sa3int spielen vor allem in Bezug auf Besiedlung und Anpassung an den humanen Wirt eine besondere Rolle. Sie kommen in den meisten von Menschen isolierten S. aureus Stämmen vor, sind jedoch kaum in Tierisolaten zu finden. Zudem tragen Sa3int Prophagen humanspezifische Virulenzgene, die zur Anpassung von S. aureus an den menschlichen Wirt beitragen und dessen Virulenz erhöhen. Die Ziele dieser Arbeit war es zum einen, wirtsspezifische Unterschiede in der Phagenbiologie aufzuklären und im zweiten Schritt die zugrundeliegenden molekularen Mechanismen, welche die Wechselwirkung zwischen Bakterien und Phagen regulieren, zu entschlüsseln. In dieser Arbeit konnte ich zeigen, dass die Biologie von Sa3int Modellphagen (Ф13 und ФN315), speziell in Bezug auf den Stammhintergrund, starke Unterschiede ausweist. Dies deutet darauf hin, dass bislang unzureichend untersuchte bakterielle Faktoren, die Phagenbiologie mit beeinflussen. Im Einzelnen wurden Unterschiede in der spontanen Übertragung von Sa3int Phagen in Ko-Kulturen, in der Lysogenisierung und in der Induktion zwischen den verschiedenen Wirtsstämmen als Zielgröße herangezogen. Die Abweichungen waren auf Unterschiede in der Phagenreplikation zurückzuführen. Die wiederrum durch Unterschiede in der Transkription von lytischen Phagengenen, genauer von im Replikations- und Morphogenesemodul kodierten Genen, begründet waren. Die Vorhersage von Transkriptionsstartstellen (TSSs) auf Sa3int Prophage Ф13 zeigte ebenfalls stammspezifische Unterschiede. Meiner Meinung nach sind diese eine Konsequenz von Unterschieden in der posttranskriptionellen Prozessierung der mRNAs. Dies deutet darauf hin, dass Genregulation auf Prophagen deutlich komplexer ist, als ursprünglich angenommen wurde und möglicherweise regulatorische sRNAs involviert. Des Weiteren habe ich untersucht, ob die Präsenz von Sa3int Prophagen die Genexpression des Wirtsbakteriums beeinflusst. Differenziellen Genexpressionsanalysen identifizierten mehrere Gene, die in Präsenz des Prophagen ein geändertes Expressionsmuster zeigten. Als Beispiel können Proteasen (wie sspA, sspB und aur) genannt werden. Dies deutet auf eine Anpassung der Expression von Virulenzgenen des Wirtes hin, die möglicherweise Einfluss auf den Kolonisationsprozess hat. Wir haben einen, bioinformatischen Arbeitsablauf etabliert welcher erfolgreich für die erste differentielle Genexpressionsanalyse und somit den direkten Vergleich zweier S. aureus Stämme aus unterschiedlichen klonalen Komplexen angewandt wurde. Mit Hilfe dieses bioinformatischen Ansatzes fanden wir heraus, dass UvrA einen bislang unbekannten Einfluss auf die Phagenreplikation hat. Die vorgelegte Arbeit gibt einen umfangreichen Einblick in die stammspezifischen Unterschiede auf verschiedenen Ebenen des Lebenszyklus von Sa3int Phagen und dessen Interaktion mit dem Wirtsbakterium Staphylococcus aureus.