From adaptation to motion: in-depth characterization of γ-proteobacteria under acid or hormone stress

Schumacher, Kilian (2024): From adaptation to motion: in-depth characterization of γ-proteobacteria under acid or hormone stress. Dissertation, LMU München: Fakultät für Biologie

Abstract

Sensing and responding to acidity is crucial for bacteria to survive in a variety of habitats, such as the gastrointestinal tracts of vertebrates. However, previous approaches to systematically study the response of bacteria to acid stress have been restricted to methods with significant drawbacks involving proteomics and microarrays or were limited to mildly acidic conditions. In this thesis, the advantages of ribosome profiling (Ribo-Seq) were leveraged and combined with RNA-Seq to study genome-wide adaptations of Escherichia coli to mild (pH 5.8) and severe near-lethal acidic conditions (pH 4.4). The obtained findings included novel strategies of E. coli to gain acid tolerance, such as reduction of membrane protein synthesis and global metabolism, as well as the induction of iron uptake and siderophore synthesis. Moreover, Ribo-Seq uncovered novel small proteins that were exclusively detectable under acid stress, and acid-specific adaptations were distinguished from other stressors using autoencoder-based machine learning. Ribo-Seq and RNA-Seq also revealed an induction of motility genes at pH 5.8 but not at pH 4.4, indicating that flagella biosynthesis is dependent on the degree of acid stress. Follow-up studies were conducted focusing on stress-dependent alterations of chemotaxis and motility. These revealed that motility-activating mutations upstream of the master regulatory genes flhDC compromised the survival of E. coli under acid shock. Accordingly, an inverse correlation between motility and shock survival was demonstrated, suggesting a differentiation of E. coli into a motile and an acid-tolerant subpopulation. This trade-off between motility and the ability to tolerate acid shock periods was found to depend on the differential integration of insertion sequence elements in the promoter region of flhDC. In another study, stress-dependent adaptations of chemotaxis in the marine pathogen Vibrio campbellii were highlighted. Stress hormones such as eukaryotic epinephrine bound to the chemotaxis coupling protein CheW and affected the sensing of chemoattractants. Finally, the use of a triple-fluorescent reporter strain demonstrated that the three major acid-resistance systems are heterogeneously activated in an E. coli population. These results indicated a ‘bet-hedging’ strategy and division of labor under acid stress conditions. Overall, the results obtained in this thesis shed new light on bacterial stress adaptations and provide new starting points for future research, such as an in-depth characterization of novel acid-induced small proteins, the analysis of subpopulations with different acid tolerance, and the search for further stress-dependent mechanisms of chemotaxis and motility.

Abstract

Das Wahrnehmen und Reagieren auf Säurestress ist essentiell für das Überleben von Bakterien in Lebensräumen wie dem Verdauungstrakt von Wirbeltieren. Frühere Versuche die Reaktion von Bakterien auf Säurestress systematisch zu analysieren beschränkten sich jedoch auf Methoden wie Proteomics und Microarrays, oder auf milden Säurestress. In dieser Arbeit wurden die Vorteile von Ribo-Seq genutzt und mit RNA-Seq kombiniert um die Anpassungen von Escherichia coli an milden (pH 5.8) und starken, fast tödlichen, Säurestress (pH 4.4) aufzuzeigen. Die Ergebnisse beinhalteten neue Säuretoleranzstrategien wie die reduzierte Synthese von Membranproteinen, einen minimierten Stoffwechsel und die Induktion der Eisenaufnahme und Siderophorsynthese. Zudem wurden neue kleine Proteine durch Ribo-Seq entdeckt, welche nur unter Säurestress detektierbar waren. Außerdem wurden durch den Einsatz von Autoencoder-basiertem maschinellen Lernen säurestressspezifische Anpassungen von anderen Stressoren abgegrenzt. Die Ribo-Seq und RNA-Seq Ergebnisse zeigten auch eine erhöhte Expression von Motilitätsgenen bei pH 5.8, nicht aber bei pH 4.4, was auf eine Regulation der Flagellensynthese in Abhängigkeit der Stressintensität hindeutete. Daher wurden weitere Studien zu säurestressabhängigen Änderungen der Chemotaxis und Beweglichkeit durchgeführt. Dabei wurde gezeigt, dass Mutationen nahe der Masterregulatorengene flhDC, welche die Beweglichkeit erhöhen, das Überleben von E. coli unter Säureschockbedingungen verringern. Gleichzeitig wurde eine inverse Korrelation zwischen der Motilität und dem Überleben unter Säureschock festgestellt, was eine Differenzierung von E. coli in eine bewegliche und eine säuretolerante Subpopulation unter Säurestress nahelegte. Es konnte schließlich gezeigt werden, dass der Kompromiss zwischen Beweglichkeit und dem Überleben unter Säureschock von der unterschiedlichen Integration von Insertionssequenzelementen in der Promotorregion von flhDC abhängig ist. In einer weiteren Studie wurde die stressabhängige Anpassung der Chemotaxis im marinen Pathogen Vibrio campbellii demonstriert. Stresshormone wie das eukaryotische Adrenalin banden an das chemotaktische Kopplungsprotein CheW und beeinflussten das Wahrnehmen von Lockstoffen. Schließlich konnte mit Hilfe eines fluoreszierenden Reporterstamms die heterogene Aktivierung der drei hauptsächlichen Säureresistenzsysteme innerhalb einer E. coli Population gezeigt werden. Diese Ergebnisse weisen auf eine funktionelle Arbeitsteilung unter Stressbedingungen hin. Zusammenfassend werfen die Ergebnisse dieser Doktorarbeit neues Licht auf bakterielle Stressanpassungen und bieten viele neue Ansatzpunkte für zukünftige Forschungsprojekte, wie z.B. die Charakterisierung von neuen säureinduzierten kleinen Proteinen, die Analyse von Subpopulationen mit unterschiedlicher Säuretoleranz, sowie die Suche nach weiteren stressabhängigen Anpassungen der Beweglichkeit und Chemotaxis.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
• Fakultäten: Fakultät für Biologie
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 9. Oktober 2024
• 1. Bericht­erstatter:in: Jung, Kirsten