Molecular Interactions Governing Phage Specificity in Staphylococcus aureus

Abstract

Dissertation gesperrt bis zum 10.07.2027!

Staphylococcus aureus ist eines der häufigsten bakteriellen Pathogene weltweit. Während viele Antibiotika in der Vergangenheit erfolgreich genutzt wurden, um bakterielle Infektionen zu bekämpfen, steigen Antibiotikaresistenzraten weltweit. Aus diesem Grund sind neue Ansätze erforderlich. Einer dieser Ansätze ist die Nutzung von Bakteriophagen, Viren, die Bakterien infizieren. Da Phagen nur ihr Wirtsbakterium angreifen, üben sie minimalen Druck auf den Rest des Mikrobioms aus. Der Grund für diese Selektivität war bisher jedoch unklar. Es war zwar bekannt, dass S. aureus Phagen an die zellwandgebundene Wandteichonsäure (WTA) bindet, welche in S. aureus aus Ribitolphosphatketten (RboP) mit verschiedenen Glykosylierungen besteht, das genaue WTA-glykosylierungsabhängige Bindemuster der meisten Phagen war jedoch unbekannt. In dieser Arbeit entdeckten wir das Bindemuster der meisten S. aureus-Phagen mithilfe computergestützter Identifikation und Clusterung von Phagen-Rezeptorbindeproteinen (RBPs) und Analyse des Bindeverhaltens an S. aureus-WTA-Mutanten mithilfe fluoreszent markierter RBPs. Hierdurch fanden wir heraus, dass RBPs in Gruppen mit spezifischen Bindemustern abgegrenzt werden können, welche mit dem Bindeverhalten des intakten Phagen übereinstimmt. Zusätzlich fanden wir heraus, dass viele S. aureus-Phagen zwei separate RBPs besitzen, welche beide die WTA ihres Wirts binden. Als Nächstes entdeckten wir, dass S. aureus sein WTA-Glykosylierungsmuster mithilfe von Autoinducerpeptiden (AIPs) des Quorum-Sensing-Systems agr modifizieren kann. Dieser Prozess kann außerdem von anderen Staphylokokken ausgenutzt werden, indem diese alternative AIPs mit inhibitorischer oder stimulatorischer Aktivität ausschütten, wodurch der Metabolismus und die WTA-Zusammensetzung verändert werden. Als Letztes entdeckten wir, dass Staphylococcus epidermidis E73 eine neuartige Glykosyltransferase (TarM(Se)) nutzt, um Glukose an seine RboP-WTA anzubringen, statt der N-Acetylglukosamin-Modifizierung, die S. aureus TarM nutzt. Unsere Studie ist die erste Beschreibung von RboP-WTA mit Glukose, und die Struktur und Funktion von TarM(Se) wurde aufgeklärt. Insgesamt waren wir in der Lage, viele Aspekte der Phagen-Wirts-Interaktion von S. aureus aufzudecken, jedoch ist weitere Forschung notwendig, um die Interaktionen noch besser zu verstehen und die Behandlung von S. aureus mit Bakteriophagen weiter zu optimieren.

Staphylococcus aureus is one of the most prevalent bacterial pathogens worldwide. While many antibiotics were successfully used to treat infections in the past, antibiotic resistance rates are rising, and new approaches are required. Among these approaches, viruses of bacteria, called bacteriophages, are especially interesting. Since phages are highly selective for their host bacteria, they exert minimal pressure on the overall microbiota. However, the exact interactions, and the cause for this selectivity, remained unclear. It was known that most S. aureus phages bind to the cell wall bound wall teichoic acid (WTA) glycopolymer, which, in S. aureus, consists of ribitol-phosphate (RboP) repeats with different glycosylations, but the exact WTA-glycosylation dependent binding pattern of most phages was unknown. In this work, we elucidated the binding pattern of S. aureus phages by combining computational identification and clustering of phage receptor-binding proteins (RBPs) and analysis of binding to S. aureus WTA mutant panels via fluorescently labelled RBPs. This way, we discovered that S. aureus phage RBPs cluster in distinct groups, each with its own distinct binding pattern that matches the binding behavior of the intact phage. Additionally, we discovered that many S. aureus phages carry two separate RBPs, both binding to the WTA of their host. Next, we discovered that S. aureus can modulate its WTA glycosylation pattern via autoinducer peptides (AIPs) of the quorum-sensing agr system. This process can also be exploited by other staphylococci by using alternative AIPs with inhibitory or stimulatory activity, thus altering the metabolism and WTA composition of S. aureus. Lastly, we discovered that Staphylococcus epidermidis E73 uses a novel glycosyltransferase, TarM(Se), to attach glucose to the RboP-WTA instead of the N-acetylglucosamine modification conferred by S. aureus TarM. Our study is the first description of RboP-WTA decorated with glucose, and the structure and function of TarM(Se) was elucidated. Overall, we were able to uncover many aspects of the phage-host interaction in S. aureus, but further research is necessary to better understand and optimize the treatment of S. aureus with bacteriophages.