AUTOREFERAT ROZPRAWY DOKTORSKIEJ. Function of the regulator OmpR in the modulation of the outer membrane proteome of Yersinia enterocolitica

Transkrypt

1 mgr Marta Nieckarz Zakład Mikrobiologii Stosowanej Instytut Mikrobiologii Wydział Biologii Uniwersytet Warszawski AUTOREFERAT ROZPRAWY DOKTORSKIEJ Function of the regulator OmpR in the modulation of the outer membrane proteome of Yersinia enterocolitica Promotor: Promotor pomocniczy: prof. dr hab. Katarzyna Brzostek dr hab. Adrianna Raczkowska Recenzenci: dr hab. Monika Janczarek, prof. UMCS Zakład Genetyki i Mikrobiologii Instytut Mikrobiologii i Biotechnologii Wydział Biologii i Biotechnologii Uniwersytet Marii Curie-Skłodowskiej prof. dr hab. Ewa Łojkowska Zakład Ochrony i Biotechnologii Roślin Instytut Biotechnologii Międzyuczelniany Wydział Biotechnologii Uniwersytetu Gdańskiego i Gdańskiego Uniwersytetu Medycznego Yersinia enterocolitica to gramujemna bakteria wywołująca jersinozę ostrą lub przewlekłą, odzwierzęcą chorobę zakaźną, która może przyjmować różne postaci kliniczne, najczęściej żołądkowo-jelitowe. Pałeczki Y. enterocolitica są zdolne do kolonizacji wielu różnorodnych nisz w obrębie organizmu gospodarza, a także w środowisku naturalnym (w wodzie i glebie). Kluczową rolę w procesie patogenezy oraz adaptacji do zmiennych warunków środowiska pełnią białka błony zewnętrznej (OM), a wśród nich czynniki wirulencji, m.in. adhezyny YadA, Ail, Inv, Myf, białka systemu sekrecji III typu Ysc-Yop, a także poryny dyfuzji ogólnej i specyficznej, receptory związane z transportem substancji odżywczych oraz jonów czy systemy wyrzutu efflux.

2 Synteza czynników wirulencji, jak i odpowiedź adaptacyjna bakterii patogennych na zmienne warunki środowiska, tj. temperaturę, ph, osmolarność, dostępność składników odżywczych/jonów, a także na obecność substancji toksycznych, pozwalają przeżyć w określonej niszy ekologicznej oraz skutecznie konkurować z naturalnym mikrobiomem. Dwuskładnikowe systemy transdukcji sygnału (TCS) to szlaki regulacyjne, które umożliwiają bakteriom odbieranie oraz reagowanie na liczne zewnętrzne sygnały poprzez modulację ekspresji odpowiednich genów. Archetypem TCS jest szlak sygnałowy EnvZ/OmpR niepatogennej Escherichia coli K-12 uczestniczący w osmoregulacji ekspresji genów białek porynowych OmpC i OmpF. System EnvZ/OmpR składa się z transbłonowej kinazy histydynowej EnvZ, która odbierając sygnał ze środowiska, przenosi go w postaci grupy fosforanowej na partnerskie białko cytoplazmatyczne regulator odpowiedzi OmpR. Ufosforylowane białko OmpR wiąże się z regionem promotorowym genu ompc oraz ompf i w sposób pozytywny lub negatywny reguluje ich transkrypcję. Funkcja białka OmpR w regulacji ekspresji genów jest od lat przedmiotem intensywnych badań u różnych gatunków bakterii, w tym u Y. enterocolitica. Wyniki sugerują, że regulator OmpR może pełnić różnorodne, często odmienne funkcje, także specyficzne dla określonego gatunku bakterii. Klasycznym podejściem stosowanym do identyfikacji celów działania OmpR było dotychczas badanie fizjologicznych konsekwencji delecji genu regulatora. Wprowadzenie technik transkryptomicznych oraz proteomicznych umożliwiło kompleksowe spojrzenie na funkcję OmpR u bakterii. Badania prezentowane w pracy doktorskiej koncentrowały się na poznaniu funkcji regulatora OmpR Y. enterocolitica w modulowaniu składników proteomu błony zewnętrznej oraz wyjaśnieniu roli OmpR w regulacji ekspresji wytypowanych genów na poziomie transkrypcyjnym. Do identyfikacji białek błony zewnętrznej, regulowanych przez białko OmpR zastosowano różnicową analizę proteomiczną metodą shotgun. W pierwszym etapie prac dokonano optymalizacji protokołu izolacji białek OM, wykorzystując szereg detergentów w zmiennych kombinacjach i stężeniach. Optymalizowano także warunki trawienia trypsyną uzyskanych frakcji białkowych. Wyniki analiz LC-MS/MS przeprowadzanych podczas testowania protokołów izolacji białek OM, pozwoliły na wybór optymalnej metodyki, którą zastosowano we właściwych eksperymentach. Frakcje białkowe błon, wzbogacone o białka OM, uzyskane ze szczepów różniących się obecnością białka OmpR, tj. dzikiego i mutanta ΔompR, hodowanych w różnych warunkach temperatury, osmolarności oraz ph, analizowano w systemie HPLC sprzężonym

3 z tandemowym spektrometrem mas Orbitrap Velos. Wyniki LC-MS/MS, po bioinformatycznej, jakościowej i ilościowej analizie danych, pozwoliły na utworzenie list białek różnicowych. Na podstawie danych MS wykazano, że OmpR, w określonych warunkach środowiska, reguluje pozytywnie lub negatywnie poziom 120 białek, w tym związanych pośrednio lub bezpośrednio z błoną zewnętrzną, które pełnią w komórce różnorodne funkcje. Wśród nich zidentyfikowano znane, opisane wcześniej, jak i nowe OmpR-zależne białka, w tym także charakterystyczne dla bakterii z rodzaju Yersinia. Białka różnicowe przyporządkowano do określonych kategorii procesów biologicznych, w których uczestniczą. Wykazano wpływ OmpR na szereg białek biorących udział w dyfuzji, transporcie aktywnym, czynnym usuwaniu substancji toksycznych, w utrzymaniu homeostazy żelazowej, a także organizacji błony zewnętrznej oraz patogenezie. Ocena zmian w składzie proteomu pozwoliła na określenie biologicznej funkcji OmpR u Y. enterocolitica i jego kluczowej roli w adaptacji do zmiennych warunków środowiska. Zdefiniowany OmpR-zależny proteom stanowił punkt wyjścia do analiz in silico w celu identyfikacji sekwencji DNA wiążących OmpR. Potencjalne motywy wiązania białka OmpR wyznaczono w obrębie sekwencji regulatorowych genów cyca, dcua, feca, fepa, hemr, kdgm2, myfc, ompw, scry i yada, a także acra, fadl, ompc, ompf, ompx, tppb, które jako geny regulonu OmpR zidentyfikowano wcześniej u E. coli i Salmonella. Do szczegółowych badań genetycznych i biochemicznych mających na celu poznanie mechanizmu OmpR-zależnej regulacji, wytypowano yada, hemr oraz kdgm2, kodujące odpowiednio, czynnik wirulencji YadA warunkujący adhezję i oporność komórki na bakteriobójcze działanie surowicy, receptor HemR niezbędny dla przyswajania hemu, a także białko KdgM2, ortolog poryn specyficznych dla oligogalakturonianów (OGA) produktów degradacji pektyn, u patogenów roślin, w tym Dickeya dadantii. Dla białka KdgM2 zanotowano ponad 100-krotny, tj. najwyższy parametr krotności zmiany, wśród OmpR-zależnych składników proteomu OM. Badania nad rolą OmpR w regulacji ekspresji genów YadA i HemR rozpoczęto od analiz Western blot, które wykazały wyższy poziom obu białek w szczepie niesyntezującym regulatora OmpR i tym samym potwierdziły wyniki proteomiczne. Analizy aktywności promotorów wskazały, że białko OmpR negatywnie reguluje poziom ekspresji genów yada i hemr. Badania opóźnienia tempa migracji kompleksów nukleoproteinowych w natywnym żelu poliakryloamidowym tzw. testy EMSA udowodniły, że OmpR-zależna regulacja transkrypcji yada wynika z bezpośredniego oddziaływania regulatora ze specyficzną

4 sekwencją wiążącą. W przypadku hemr zaproponowano mechanizm, w którym OmpR negatywnie, ale pośrednio reguluje ekspresję hemr. Punktem wyjścia do prac nad określeniem funkcji białka OmpR w regulacji ekspresji kdgm2 były analizy bioinformatyczne sekwencji genomów bakterii. Pozwoliły one na zidentyfikowanie u Y. enterocolitica klastrów genów, charakterystycznych dla fitopatogenów, które są związane z transportem oraz depolimeryzacją produktów degradacji pektyn, w tym kodujących poryny KdgM2 i KdgM1, specyficzne dla OGA oraz regulator KdgR. Ponadto, analizy in silico wykazały brak genów zewnątrzkomórkowych enzymów pektynolitycznych, typowych dla patogenów roślin, co potwierdzono w badaniach in vitro i in vivo. W kolejnym etapie pracy przeprowadzono szereg badań z wykorzystaniem skonstruowanych mutantów delecyjnych, fuzji reporterowych, RT-qPCR, SDS-PAGE oraz EMSA, które dowiodły, że OmpR wykazuje bezpośredni, ale odwrotny efekt regulatorowy na poziom białek KdgM2 i KdgM1, w wyniku negatywnej regulacji transkrypcji kdgm2 oraz pozytywnej kdgm1. W toku badań ustalono także, że KdgR pełni funkcję represora genów szlaku pektynolizy, a regulator OmpR może wpływać na ekspresję kdgm2 i kdgm1, w sposób pośredni, poprzez negatywną regulację transkrypcji genu kdgr. Dodatkowo, badania biologicznej funkcji KdgM2 pozwoliły wnioskować o znaczeniu tego białka w przepuszczalności błony zewnętrznej Y. enterocolitica. Podsumowując, przedstawiona rozprawa doktorska stanowi pierwszą, kompleksową charakterystykę roli regulatora OmpR w modulowaniu proteomu błony zewnętrznej Y. enterocolitica. Zidentyfikowano nieznane wcześniej geny regulonu OmpR i wykazano, że OmpR regulując ich transkrypcję (pozytywnie lub negatywnie) pełni ważną rolę adaptacyjną. Prezentowane wyniki sugerują, że OmpR jako integrator wielu komórkowych procesów, może decydować o wyborze strategii życiowej Y. enterocolitica, związanej z saprofityczną lub patogenną formą życia bakterii.

5 mgr Marta Nieckarz Zakład Mikrobiologii Stosowanej Instytut Mikrobiologii Wydział Biologii Uniwersytet Warszawski AUTOREFERAT ROZPRAWY DOKTORSKIEJ Function of the regulator OmpR in the modulation of the outer membrane proteome of Yersinia enterocolitica Promotor: Promotor pomocniczy: prof. dr hab. Katarzyna Brzostek dr hab. Adrianna Raczkowska Recenzenci: dr hab. Monika Janczarek, prof. UMCS Zakład Genetyki i Mikrobiologii Instytut Mikrobiologii i Biotechnologii Wydział Biologii i Biotechnologii Uniwersytet Marii Curie-Skłodowskiej prof. dr hab. Ewa Łojkowska Zakład Ochrony i Biotechnologii Roślin Instytut Biotechnologii Międzyuczelniany Wydział Biotechnologii Uniwersytetu Gdańskiego i Gdańskiego Uniwersytetu Medycznego Yersinia enterocolitica is a gram-negative bacterium that causes yersiniosis an acute or chronic foodborne disease manifested by a variety of clinical symptoms, especially gastrointestinal. Y. enterocolitica exhibits a dual lifestyle: it can colonize many different niches within a host organism and is also found in water and soil in the natural environment. Proteins of the outer membrane (OM), including the adhesins YadA, Ail, Inv and Myf, the Ysc-Yop type III secretion system, general diffusion and specific porins, nutrient and ion receptors, and efflux pump components, play key roles in Y. enterocolitica pathogenesis and adaptation to changing environmental conditions. The synthesis of virulence factors as well as the adaptive response of bacterial pathogens to variable environmental conditions (i.e. temperature, ph, osmolarity, availability

6 of nutrients/ions), and to the presence of toxic substances, allow them to survive in a specific ecological niche and efficiently compete with the natural microbiome. Two-component signal transduction systems (TCS) permit bacteria to recognize and respond to diverse environmental stimuli by modulating gene expression. The archetype of the TCS is EnvZ/OmpR, involved in the osmoregulation of OmpC and OmpF porin expression in non-pathogenic Escherichia coli K-12. The EnvZ/OmpR system consists of transmembrane histidine kinase EnvZ, which receives stimuli from the environment and transfers this signal as a phosphoryl group to the cytoplasmic response regulator OmpR. Phosphorylated OmpR then binds to the regulatory regions of the ompc and ompf genes to either activate or repress transcription. The function of the OmpR protein in many bacterial species, including Y. enterocolitica, has been the subject of intense research for years. The results of these studies suggest that the regulator OmpR can perform various, often different functions, some of which are speciesspecific. The classical approach to identify members of the OmpR regulon was based on analysis of the physiological consequences of the loss of the OmpR protein. Recently, high-throughput methods, such as transcriptomics and proteomics, have enabled efforts to gain a more comprehensive view of the role of OmpR. The aim of this doctoral research project was to investigate the function of Y. enterocolitica OmpR in the modulation of the OM proteome and to decipher its role in regulating the expression of selected genes at the transcriptional level. Differential proteomic analysis using the shotgun strategy was applied to identify OM proteins subject to regulation by OmpR. As a first step, a protocol for the isolation of Y. enterocolitica OM proteins was developed and optimized using combinations of detergents at different concentrations. The optimal conditions for trypsin digestion of the isolated proteins were also determined. LC-MS/MS analysis of samples obtained during protocol optimization assisted selection of the methodology that was used in the proper experiments. Membrane protein fractions enriched in OM proteins, obtained from Y. enterocolitica strains differing in the presence of OmpR protein (i.e. the wild-type and a ΔompR mutant) grown under different temperature, osmolarity and ph conditions, were analyzed by HPLC coupled with an Orbitrap Velos mass spectrometer. Bioinformatic analysis of the qualitative and quantitative proteomic data was then used to create lists of differentially-expressed proteins.

7 The results of the proteomic analysis indicated that under specific environmental conditions, OmpR affects (both positively and negatively), the production of 120 proteins, including integral and OM-associated proteins, which serve a variety of functions. Among them are well-characterized OmpR targets as well as newly identified OmpR-dependent proteins, including some that are Yersinia specific. The differentially-expressed proteins were grouped into several categories according to the biological processes in which they participate. This showed that OmpR influences the production of a number of proteins involved in diffusion, active transport, removal of toxic substances, maintenance of iron homeostasis as well as the organization of the OM and pathogenesis. Evaluation of changes in the composition of the proteome helped to elucidate the biological function of OmpR in Y. enterocolitica and highlight its key role in physiological adaptations necessary for growth in highly variable environments. The defined OmpR-dependent proteome was the starting point for an in silico analysis to identify OmpR-binding DNA sequences. Putative OmpR-binding motifs were recognized in the promoter regions of the Y. enterocolitica genes cyca, dcua, feca, fepa, hemr, kdgm2, myfc, ompw, scry and yada, as well as in previously identified OmpR-regulated genes in Salmonella and E. coli, i.e. acra, fadl, ompc, ompf, ompx and tppb. For detailed genetic and biochemical studies on the mechanism of OmpR-mediated regulation, the genes yada, hemr and kdgm2 were chosen. The selected genes encode virulence factor YadA, which is crucial for adhesion and resistance to the bactericidal activity of serum, HemR, a receptor essential for the acquisition of heme, and KdgM2, an ortholog of porins involved in the uptake of pectin degradation products (i.e. oligogalacturonides, OGA) by plant pathogens such as Dickeya dadantii. The most impressive regulatory impact of OmpR was on the abundance of porin KdgM2, which displayed a more than 100-fold change. To confirm the role of OmpR in modulating YadA and HemR proteins levels, Western blot analysis was performed. In agreement with the proteomic results the absence of OmpR resulted in increases in YadA and HemR. Furthermore, promoter activity analysis indicated that the OmpR protein negatively regulates yada and hemr transcription. Electrophoretic mobility shift assays (EMSA) suggested that OmpR-dependent regulation of yada transcription results from the direct binding of OmpR to the yada promoter region. In the case of hemr an indirect and negative mechanism of OmpR-dependent regulation was proposed. The starting point for an investigation of the role of OmpR in the regulation of kdgm2 expression was a comparative genomic analysis that revealed the presence of clusters of genes, characteristic for phytopathogens, that encode proteins involved in the uptake and catabolism

8 of pectin derivatives, including OM proteins KdgM2 and KdgM1, and transcriptional regulator KdgR. Furthermore, bioinformatic analysis of the Y. enterocolitica genome revealed the lack of extracellular pectinases typical of plant pathogens, which was confirmed by in vitro and in vivo studies. In the next part of this research project, experiments using deletion mutants, reporter gene fusions, RT-qPCR, SDS-PAGE and EMSA demonstrated the involvement of OmpR in the reciprocal regulation of KdgM1 and KdgM2, as a result of negative regulation of kdgm2 transcription and a positive regulatory effect on kdgm1. KdgR has been established as the repressor of the pectinolysis pathway genes and OmpR as a regulator influencing the expression of kdgm2 and kdgm1 directly, and also indirectly by repressing kdgr. In addition, the important role of KdgM2 in the modulation of OM permeability in Y. enterocolitica was confirmed. In summary, this body of research represents the first comprehensive characterization of the role of the response regulator OmpR in modulating the OM proteome composition of Y. enterocolitica. This work has revealed novel members of the Y. enterocolitica OmpR regulon and has shown that OmpR, through positive or negative regulation of their transcription, plays an important adaptive role. Taken together, these findings highlight OmpR as the integrator of several cellular processes regulating the dual saprophytic and pathogenic lifestyles of Y. enterocolitica.