Dersch_Schomberg_Wittmann_Project

Identification of host-adapted metabolic functions important for Yersinia pseudotuberculosis virulence

Initial colonization of the gut and subsequent penetration of the intestinal epithelial layer by the enteric pathogen Yersinia pseudotuberculosis demands expression of a special set of early-stage virulence genes, whereas persistence and multiplication in subepithelial tissues and organs requires synthesis of other pathogenicity factors, e.g. the antiphagocytic Yop proteins. A complex network of transcriptional and post-transcriptional regulatory systems was identified to control expression of these virulence factors and important metabolic functions. In particular, the central carbon metabolism (glycolysis, TCA cycle) and associated amino acid and nucleoside catabolism were found to be co-regulated with expression of Yersinia virulence functions in response to temperature and nutrient availability. To gain a deeper insight into the host-adapted metabolism of Yersinia, the full spectrum of metabolic changes in response to the different virulence associated conditions (changes of temperature, nutrients, oxygen availability) will be elucidated using metabolome, fluxome, transcriptional and ¹³C-isotopologue profiling techniques. Additionally the molecular mechanisms mediating fine-tuned coregulation of metabolic and virulence genes over the course of the infection will be elucidated. Subsequently, expression and role of the identified host-adapted virulence pathways for pathogenesis will be evaluated in an established mouse infection model. Gained knowledge about crucial host-adapted metabolic pathways of an extracellular fast growing intestinal pathogen may lead to the identification of new targets for novel anti-infective compounds.

Die Kolonisierung des Intestinaltrakts und das anschließende Eindringen in die intestinale Epithelschicht durch das Darmbakterium Yersinia pseudotuberculosis erfordert die Expression von speziellen Virulenzfaktoren die beim Start der Infektion exprimiert werden. Hingegen werden für die anschließende Verbreitung, Persistenz und Vermehrung in tiefer liegenden Geweben andere Pathogenitätsfaktoren, z. B. die antiphagozytären Yop Effektorproteine benötigt. Die Expression dieser Virulenzfaktoren wird durch ein komplexes Netzwerk von transkriptionalen und post-transkriptionalen regulatorischen Systemen gesteuert, die auch bedeutende metabolische Funktionen des Bakteriums kontrollieren. Unsere Studien zeigen, dass das Umschalten der Virulenzgenexpression besonders durch Veränderungen der Temperatur und des Nährstoffgehalts der Umgebung ausgelöst wird und mit einer globalen Veränderung des zentralen Kohlenstoffwechsels (Glykolyse, Krebs-Zyklus) und assoziierten Aminosäure- und Nukleosid-Stoffwechselwegen einhergeht. Um einen tieferen Einblick in den Wirts-adaptierten Stoffwechsel von Yersinia zu bekommen, soll in weiteren Arbeiten das gesamte Spektrum der metabolischen Veränderungen durch Virulenz-assoziierte Bedingungen (v.a. Veränderungen der Temperatur-, des Nährstoff- und Sauerstoffgehalts) durch Metabolom, Fluxom, Transkriptom, sowie ¹³C-Isotopolog-Studien aufgeklärt. Zudem sollen die molekularen Mechanismen, die diese fein abgestimmte Koregulation von Virulenz- und Stoffwechselgenen ermöglichten, charakterisiert werden. Nachfolgend wird die in vivo Expression und Relevanz der identifizierten Stoffwechselwege für die Pathogenität der Yersinien im Mausmodell überprüft. Die dabei gewonnene Kenntnisse könnten zu Identifizierung neuer Angriffspunkte für neue antibakterielle Substanzen führen.