Einfluss von Bakteriophagen auf die Genexpression von Staphylococcus aureus

Abstract

Bakterien und Bakteriophagen stehen als Wirt und Parasit in einem engen biologischen Verhältnis zu einander. Über verschiedene Mechanismen haben Bakteriophagen als mobile Elemente Einfluss auf die bakterielle Gen-Distribution sowie -Rekombination und können das Bakterium um entsprechende genetische Informationen, zumeist Antibiotikaresistenzen oder Toxine, bereichern. Grundlage der vorliegenden Arbeit war eine weitere, bisher in dieser Form nicht beschriebene Beobachtung der bakteriell-viralen Interaktion: eine Expressionssteigerung verschiedener bakteriell codierter Virulenzfaktoren in einzelnen hlb-konvertierten Lysogenen (S. aureus mit Phageninsertion in hlb, welches für das ß-Hämolysin codiert). Die vorliegende Arbeit untersuchte, ob eine derartige Phagen-vermittelte Expressionssteigerung bakterieller Gene als generelles Phänomen auch bei anderen Lysogenen zu beobachten ist und ob diese Effekte auf Transktiptionsebene zu detektieren sind. Zudem wurden mögliche Einflussfaktoren und postulierte Mechanismen analysiert. Es wurden zunächst verschiedene hlb-Phagen-konvertierte Lysogene sowie Lysogene weiterer Bakteriophagengruppen betrachtet. Interessanterweise zeigte sich bei allen hlb-Lysogenen eine Expressionssteigerung verschiedener Virulenzfaktoren (eap und SA1813) im Vergleich zu den isogenen delysogenen Stämmen. Dies konnte sowohl auf Proteinebene durch SDS-Gelelektrophorese als auch auf Transkriptionsebene durch Northern Blot-Hybridisierung gezeigt werden. Diese Effekte wurden durch Ciprofloxacin, einem Induktor der bakteriellen SOS-Antwort, beeinflusst. Die bakteriellen Gene eap und SA1813 sind direkt up- und downstream der Phageninsertionstelle lokalisiert. Durch Promotorfusionsassays (eap und SA1813) konnten keine Hinweise auf trans-aktivierende Mechansimen gefunden werden. Diese Untersuchungen stützen daher die Hypothese eines lokalen konformatorischen Effektes durch Phageninsertion. Zusammenfassend konnte die Expressionssteigerung verschiedener Virulenzfaktoren als ein bei S. aureus Lysogenen generalisiertes Phänomen nachgewiesen werden. Die Hinweise auf cis-und transaktivierende Mechanismen der Phagen-Bakterieninteraktion stellen eine wesentliche Grundlage für weitere molekulare Untersuchungen dieser neuartigen Genregulationsmechanismen sowie für Studien zur Bedeutung der phagenvermittelten Genaktivierung für die Infektion und Kolonisation von S. aureus dar.

Bacteria and bacteriophages are closely interacting biological systems. Due to a large amount of different mechanisms, bacteriophages - functioning as mobile elements - can affect distribution and recombination of bacterial genetic information (e.g. antibiotic resistance, toxins). The aim of this work was to further describe and explain a phenomenon observed during integration of bacteriophage genome into the bacterial chromosome: the increased expression of several virulence factors encoded by the bacteria themselves, especially for phages integrated at the hlb site (encoding for beta-hemolysin). In particular, we here investigate (1) whether this is a more general phenomenon detectable in different hlb-lysogens, (2) whether the effect can be observed at the level of transcription and (3) whether external factors can influence the degree of expression. Finally, we analysed different theoretically possible and plausible mechanisms underlying this phenomenon. First, we studied several hlb-phage converted lysogens and bacterial strains converted by other classes of bacteriophages. Interestingly, all hlb-lysogens showed an increased expression of different bacterial virulence factors (eap and SA1813) compared to isogenic delysogenic strains, both on protein-level (SDS-PAGE) and on transcriptional level (Northern Blot analysis). The effect could be modified by ciprofloxacin, an inductor of the bacterial SOS response. The bacterial genes eap and SA1813 are located directly up- and downstream of the phage integration site. Promoter fusion assays (eap and SA1813) did not provide supporting evidence for a trans-activating mechanism. Therefore, this study corroborates the hypothesis of a local effect on the molecular conformation due to bacteriophage DNA integration. In summary, we demonstrate that increased expression of different bacterial factors of virulence is a general phenomenon in S. aureus lysogens. Our experiments concering phage-bacteria-interaction by cis- and trans-activating mechanism provide an important basis for further investigations of this novel gene regulating mechanism. Furthermore, they stimulate future studies outlining the impact of phage induced gene activation on infections and colonization of S. aureus.