Regulation of cell wall glycopolymers in Staphylococcus aureus

Abstract

The human pathogen Staphylococcus aureus is a leading cause of bacterial infections worldwide and a growing threat due to the development of antibiotic resistances. A special concern is the emergence of highly pathogenic community-associated methicillin-resistant S. aureus (CA-MRSA). While there is not much known about the molecular basis for their enhanced virulence, it likely involves upregulation of several virulence factors. As such, this thesis focusses on the regulation of the cell wall glycopolymers wall teichoic acids (WTA) and capsular polysaccharide (CP) and their impact on CA-MRSA virulence. For WTA, we were able to show that an increased WTA amount in the cell wall contributes to enhanced virulence of CA-MRSA. This is mediated by increased tarH expression as a result of enhanced Agr activity and derepression of tarH by the Agr antagonist Rot. CP is important for immune evasion due to its anti-phagocytic properties. However, since it simultaneously inhibits adherence by masking the underlying adhesins, both the presence and the absence of CP has been reported to be advantageous for S. aureus. While there are several acapsular strains emerging due to mutations in the capsular biosynthesis gene cluster (capA-capP) or the promoter region (Pcap), CP synthesis can also be switched off in response to environmental conditions via a complex regulatory network. Furthermore, CP expression has been shown to be strictly temporal and only present in a subset of stationary phase cells. We could show that on the transcriptional level this peculiar expression pattern is the consequence of direct SigB-dependent regulation and interference of cap repressors such as Rot, CodY and SaeR with the Pcap upstream region. Interestingly, this part of the promoter also contains a weak SigA-dependent promoter. Next to transcriptional regulation, there are post-transcriptional mechanisms involved to avoid conflict between precursor usage by the different cell wall glycopolymer biosynthesis machineries in growing bacterial cells. Of note, strains from the prominent CA-MRSA USA300 lineage are usually acapsular. This could be one strategy to ensure the high precursor amounts needed for increased WTA biosynthesis and to avoid possible opposing functions of CP and WTA in regard of adhesion. Elucidating the regulation of WTA and CP biosynthesis contributes to increase their potential as antigen in vaccine development and as prospective target for novel anti-infective strategies.

Der humanpathogene Erreger Staphylococcus aureus ist Hauptverursacher bakterieller Infektionen weltweit und stellt durch die Entwicklung von Antibiotikaresistenzen eine wachsende Bedrohung dar. Besonders besorgniserregend ist das Aufkommen hoch pathogener ambulant erworbener Methicillin-resistenter S. aureus (CA-MRSA). Deren erhöhte Virulenz ist unter anderem Folge einer verstärkten Expression verschiedener Virulenzfaktoren. Im Rahmen dieser Arbeit sollte daher die Regulation der beiden Zellwand-Glykopolymere Wandteichonsäuren (WTA) und Kapselpolysaccharid (CP) untersucht und ihr Beitrag zur CA-MRSA Virulenz bestimmt werden. Wir konnten zeigen, dass ein erhöhter WTA-Gehalt in den Zellwänden von CA-MRSA zu deren gesteigerten Virulenz beiträgt. Dies geschieht durch vermehrte tarH Expression als Folge verstärkter Agr-Aktivität und damit einhergehender Derepression von tarH durch Rot. CP spielt durch seine anti-phagozytischen Eigenschaften eine wichtige Rolle bei der Immunevasion, maskiert jedoch gleichzeitig darunterliegenden Adhäsine. Somit ist auch der Verlust von CP durch Mutationen in den Biosynthesegenen (capA-capP) oder in der Promotorregion (Pcap) vorteilhaft für manche S. aureus Stämme. Darüber hinaus kann die Kapselsynthese je nach äußeren Bedingungen durch ein komplexes regulatorisches Netzwerk ausgeschaltet werden. Generell ist die Kapselexpression streng temporär und heterogen, sodass nur ein Teil der Stationär-Phasen-Zellen kapselpositiv ist. Wir konnten zeigen, dass dieses Expressionsmuster auf transkriptioneller Ebene eine Folge direkter SigB-Regulation und der Interaktion zahlreicher cap Repressoren wie Rot, CodY und SaeR mit der oberen Pcap-Region ist. Interessanterweise enthält diese Promotorregion auch einen schwachen SigA- Promotor. Neben der transkriptionellen Regulation sind auch post-transkriptionelle Mechanismen vorhanden, um eine sinnvolle Verteilung des gemeinsamen Grundbausteins der verschiedenen Glykopolymere in wachsenden bakteriellen Zellen zu gewährleisten. Es ist zu erwähnen, dass der bekannte CA-MRSA Vertreters USA300 einen kapselnegativen Phänotyp aufweist. Dies könnte dazu dienen hohe Mengen des gemeinsamen Grundbausteins für die erhöhte WTA-Biosynthese sicherzustellen und mögliche gegensätzliche Funktionen der beiden Glykopolymere in Bezug auf Adhäsion zu verhindern. Die Aufklärung der Regulation der WTA- und CP-Biosynthese erhöht das Potential dieser Strukturen als Antigen in der Impfstoffentwicklung und als zukünftiges Ziel neuer anti-infektiver Strategien.