Search for c-di-GMP regulation targets in Pseudomonas aeruginosa

Recentemente, o bis-(3\',5\')-di-guanosina monofosfato cíclico (c-di-GMP) surgiu como uma importante molécula sinalizadora nas bactérias. Essa molécula foi identificada como uma das responsáveis pelo controle do comportamento bacteriano e está relacionada com a patogenicidade e a adaptação de diversas bactérias, coordenando a expressão de genes envolvidos com virulência, motilidade e formação de biofilme. O mecanismo pelo qual c-diGMP atua vem sendo motivo de estudo de vários grupos de pesquisa nos últimos anos. Já foi demonstrado o papel dessa molécula em diferentes etapas do controle da expressão gênica. Acredita-se que a manipulação dos níveis de c-di-GMP pode ser uma nova abordagem terapêutica contra bactérias patogênicas. Pseudomonas aeruginosa é uma proteobactéria do grupo gama, que atua como um patógeno oportunista, causando infecções em pacientes imunocomprometidos, sendo o maior causador de infecções crônicas em pacientes portadores de fibrose cística. O genoma de P. aeruginosa PA14 apresenta vários genes que codificam proteínas envolvidas no metabolismo e/ou ligação de c-di-GMP, o que pode indicar um amplo papel regulatório deste nucleotídeo nessa bactéria. Uma associação infundada entre níveis elevados de c-di-GMP e a resistência aos antibióticos é geralmente assumida, já que altos níveis de c-di-GMP levam à formação de biofilme, que é comprovadamente um modo de crescimento mais resistente. Nesse trabalho, utilizando uma abordagem proteômica, mostramos que Pseudomonas aeruginosa PA14 regula a expressão de cinco porinas em resposta a variações nos níveis de c-di-GMP, independentemente dos níveis de mRNA. Uma dessas porinas, OprD, é responsável pela entrada do antibiótico β-lactâmico imipenem na célula e é menos abundante em condições de alto c-di-GMP. Também demonstramos que linhagens com altos níveis de c-di-GMP apresentam uma vantagem competitiva de crescimento em relação a linhagens com níveis mais baixo de c-di-GMP quando crescidas em meio contendo imipenem. Em contraste, observamos que células planctônicas com elevados níveis c-di-GMP são mais sensíveis a tobramicina. Em conjunto, estes resultados mostram que c-di-GMP pode regular a resistência a antibióticos em sentidos opostos, e independentemente do crescimento em biofilmeFollowing the genomic era, a large number of genes coding for enzymes predicted to synthesize and degrade 3\'-5\'-cyclic diguanylic acid (c-di-GMP) was found in most bacterial genomes and this dinucleotide emerged as an important intracellular signal molecule controlling bacterial behavior. Diverse molecular mechanisms have been described as targets for c-di-GMP, but several questions remain to be addressed. An association between high c-di-GMP levels and antibiotic resistance is largely assumed, since high c-di-GMP upregulates biofilm formation and the biofilm mode of growth leads to enhanced antibiotic resistance; however, a clear understanding of this correlation is missing. Pseudomonas aeruginosa is a versatile gamma-proteobacterium that behaves as an opportunistic pathogen to a broad range of hosts. The ability of P. aeruginosa to form biofilms contributes to its virulence and adaptation to different environments. The P. aeruginosa PA14 genome presents several genes encoding proteins involved in metabolism or binding to c-di-GMP, which may indicate a wide regulatory role of this nucleotide in this bacterium. Here, using a proteomic approach, we show that Pseudomonas aeruginosa PA14 regulates the amount of five porins in response to c-di-GMP levels, irrespective of their mRNA levels. One of these porins is OprD, decreased in high c-di-GMP conditions, which is responsible for the uptake of the β-lactam antibiotic imipenem. We also demonstrate that this difference leads strains with high c-di-GMP to be more resistant to imipenem even when growing as planktonic cells, giving them a competitive advantage over cells with low c-di-GMP. Contrastingly, we found that planktonic cells with high c-di-GMP levels are more sensitive to aminoglycosides antibiotics. Together, these findings show that c-di-GMP levels can regulate the antibiotic resistance to different drugs in opposite ways and irrespective of a biofilm mode of growth

Effect of PvrR and RcsB response regulators in motility, biofilm formation and their connection with Pseudomonas aeruginosa PA14 CupD fimbria

Pseudomonas aeruginosa é uma proteobactéria do grupo gama, que pode se comportar como um patógeno oportunista. A linhagem PA14 apresenta duas ilhas de patogenicidade. A maior delas, PAPI-1, contém dois grupos de genes envolvidos com virulência, transcritos de maneira oposta e que estão entre duas seqüências repetidas diretas. O primeiro grupo compreende quatro genes dispostos em dois operons, que codificam para proteínas de sistemas de dois componentes (PvrS, PvrR, RcsC e RcsB). PvrS e RcsC são proteínas sensoras híbridas, que apresentam domínios de histidina-quinase e de reguladores de resposta. PvrR é um regulador de resposta com um domínio EAL com atividade de fosfodiesterase de diGMP cíclico e RcsB apresenta um domínio de ligação a DNA, além de um domínio fosfoaceptor. O outro grupo é composto de cinco genes, cupD1 a cupD5, que codificam para uma fímbria do tipo chaperone-usher e que apresenta alta similaridade com cupA, envolvido na formação de biofilme em outras linhagens de P. aeruginosa. Trabalhos anteriores mostraram que pvrS, pvrR, rcsC, rcsB e cupD2 estão relacionados com a virulência de PA14. Como estes grupos de genes parecem ter sido inseridos na ilha em um único evento de recombinação, este trabalho investigou se os sistemas de dois componentes estão relacionados com a regulação da expressão de cupD. Foi observado que a expressão de cupD é maior a 28ºC do que que a 37ºC e é influenciada positivamente pelo regulador global de expressão, MvaT, uma proteína tipo H-NS. Ensaios de β-galactosidase a partir de uma fusão de transcrição mostraram que a atividade promotora de cupD é cerca de 50% menor numa linhagem com deleção em rcsB em relação à linhagem selvagem. Nenhuma diferença consistente foi observada entre as linhagens com deleções em pvrS, pvrR, rcsC e rcsB e PA14 em relação a motilidade dos tipos swarming, swimming ou twitching ou à formação de biofilme. A linhagem de P. aeruginosa PA14 superexpressando RcsB mostrou níveis exacerbados de mRNA de cupD1, sendo a atuação de RcsB específica em cupD, já que os outros grupos de genes cup presentes em PA14 não mostraram a mesma variação na expressão, conforme analisado por RT-PCR quantitativo. Essa linhagem mostrou também um aumento na formação de biofilme, sem que a motilidade fosse alterada. Ainda visando elucidar os mecanismos de regulação de cupD, linhagens que superexpressam pvrR também foram analisadas quanto a estes fenótipos. Nesse caso, a superexpressão de pvrR diminuiu a formação de biofilme, conforme esperado, aumentou a motilidade do tipo swarming, porém não alterou a expressão de cupD. Os dados do presente trabalho demonstraram que a cupD é regulado pelos genes do sistemas de dois componentes adjacentes a ele e que o ativador de transcrição RcsB está relacionado com a formação de biofilme em tubos de vidro, provavelmente via a fímbria CupD.Pseudomonas aeruginosa is a γ-proteobacteria that can behave as an opportunistic pathogen. The strain PA14 carries two pathogenicity islands, the largest of them, PAPI-1, contains two gene clusters between two direct repeat sequences that are transcribed in opposite directions and are involved in virulence. The first group consists of four genes arranged in two operons encoding two-component system proteins (PvrS, PvrR, RcsC and RcsB). PvrS and RcsC are hybrid sensor proteins, which contain domains of histidine kinase and response regulator domains. PvrR is a response regulator with a phosphodiesterase EAL domain and RcsB presents a C- terminal HTH DNA biding domain, in addition to a phosphoaceptor domain. The other group is composed of five genes, cupD1-5, that encodes components and assembly factors of a putative fimbrial CupD, which has high similarity with CupA, involved in the biofilm formation in other P. aeruginosa strains. Earlier work showed that pvrS, pvrR, rcsC, rcsB and cupD2 are related to the virulence of PA14. As these groups of genes appear to have been inserted on the island in a single event of recombination, this study investigated whether the two-component systems are related to the regulation of cupD expression. It was observed that cupD promoter activity is higher at 28oC than at 37oC and it is positively influenced by the global regulator, MvaT, a H-NS like protein. A lacZ transcriptional fusion showed about 50% less promoter activity of cupD from a strain with deletion in rcsB as compared to PA14. No consistent differences were found among the strains with deletions in pvrS, pvrR, rcsC and rcsB and PA14 on swarming, swimming and twitching motilities or biofilmsformation. A strain overexpressing overexpression showed heigher levels of cupD1mRNA of, and the role of RcsB as an activator is specific to cupD, as the other groups of cup genes present in PA14 did not show the same variation in the expression, as analyzed by quantitative RT-PCR. This strain also showed an increase in biofilm formation. In further assays aiming to elucidate the mechanisms of regulation of cupD, a strains overexpressing pvrR was also analyzed. Overexpression of pvrR decreased the formation of biofilm, as expected, and increased swarming motility, but did not alter the expression of cupD. The data from this study demonstrated that cupD is regulated by RcsB, and that this transcriptional activator is involved in the formation of biofilm in glass tubes, probably via CupD fimbriae

Three novel Pseudomonas phages isolated from composting provide insights into the evolution and diversity of tailed phages

Abstract Background Among viruses, bacteriophages are a group of special interest due to their capacity of infecting bacteria that are important for biotechnology and human health. Composting is a microbial-driven process in which complex organic matter is converted into humus-like substances. In thermophilic composting, the degradation activity is carried out primarily by bacteria and little is known about the presence and role of bacteriophages in this process. Results Using Pseudomonas aeruginosa as host, we isolated three new phages from a composting operation at the Sao Paulo Zoo Park (Brazil). One of the isolated phages is similar to Pseudomonas phage Ab18 and belongs to the Siphoviridae YuA-like viral genus. The other two isolated phages are similar to each other and present genomes sharing low similarity with phage genomes in public databases; we therefore hypothesize that they belong to a new genus in the Podoviridae family. Detailed genomic descriptions and comparisons of the three phages are presented, as well as two new clusters of phage genomes in the Viral Orthologous Clusters database of large DNA viruses. We found sequences encoding homing endonucleases that disrupt a putative ribonucleotide reductase gene and an RNA polymerase subunit 2 gene in two of the phages. These findings provide insights about the evolution of two-subunits RNA polymerases and the possible role of homing endonucleases in this process. Infection tests on 30 different strains of bacteria reveal a narrow host range for the three phages, restricted to P. aeruginosa PA14 and three other P. aeruginosa clinical isolates. Biofilm dissolution assays suggest that these phages could be promising antimicrobial agents against P. aeruginosa PA14 infections. Analyses on composting metagenomic and metatranscriptomic data indicate association between abundance variations in both phage and host populations in the environment. Conclusion The results about the newly discovered and described phages contribute to the understanding of tailed bacteriophage diversity, evolution, and role in the complex composting environment

Antibacterial T6SS effectors with a VRR-Nuc domain are structure-specific nucleases

The type VI secretion system (T6SS) secretes antibacterial effectors into target competitors. Salmonella spp. encode five phylogenetically distinct T6SSs. Here, we characterize the function of the SPI-22 T6SS of Salmonella bongori showing that it has antibacterial activity and identify a group of antibacterial T6SS effectors (TseV1–4) containing an N-terminal PAAR-like domain and a C-terminal VRR-Nuc domain encoded next to cognate immunity proteins with a DUF3396 domain (TsiV1–4). TseV2 and TseV3 are toxic when expressed in Escherichia coli and bacterial competition assays confirm that TseV2 and TseV3 are secreted by the SPI-22 T6SS. Phylogenetic analysis reveals that TseV1–4 are evolutionarily related to enzymes involved in DNA repair. TseV3 recognizes specific DNA structures and preferentially cleave splayed arms, generating DNA double-strand breaks and inducing the SOS response in target cells. The crystal structure of the TseV3:TsiV3 complex reveals that the immunity protein likely blocks the effector interaction with the DNA substrate. These results expand our knowledge on the function of Salmonella pathogenicity islands, the evolution of toxins used in biological conflicts, and the endogenous mechanisms regulating the activity of these toxins