Untersuchung intrazellulärer Überlebensstrategien von Staphylococcus aureus unter Verwendung eines photokonvertierbaren Reporter-Systems als Biosensor für den metabolischen Status der Bakterien
Staphylococcus aureus is a human pathogen with an extra-/intracellular dual lifestyle enabling to invade, survive and proliferate in host cells, protected from the host immune system and antibiotic treatment. A better understanding of S. aureus intracellular lifestyle may facilitate the development of new therapeutic approaches. Therefore, the overall aim of this study was to investigate the mechanisms used by S. aureus to survive and replicate intracellularly within different host cells. For this purpose, an S. aureus strain encoding the mKikumeGR proliferation reporter system was used in a dual RNA-seq approach to determine the correlation between gene expression changes and the metabolic state of internalized bacteria. The host transcriptional profiles, dominated by the expression of pro-inflammatory genes, did not differ between macrophages harboring metabolically active/proliferating S. aureus and those harboring metabolically inactive S. aureus, suggesting that the metabolic state of the internalized bacteria was not dictated by heterogeneity within the host cell population. On the pathogen side, metabolically active/proliferating and metabolically inactive S. aureus exhibited a common response comprising a core set of genes representing a general stress response to the intracellular host milieu. Beside this, a specific transcriptional signature was identified. While metabolic active intracellular S. aureus showed higher expression of genes involved in proliferation, the red metabolically inactive bacteria had higher expression of oxidative stress-related genes and ribosome hibernation. The influence of the internalization route on the fate of intracellular S. aureus was also investigated. The internalization pathway used by S. aureus to access an intracellular compartment permissive for bacterial replication was found to be cell-type specific. While in macrophages, S. aureus used an α5ß1-integrin-mediated internalization pathway likely via macropinocytosis, the invasion mechanism in epithelial cells seems to be caveolae-mediated and induced by secreted Hla. Furthermore, the polarization state of macrophages influenced the fate of S. aureus since, in contrast to M1 macrophages, only M2 macrophages were permissive for intracellular proliferation. In summary, this study provides evidence for an internalization pathway of S. aureus where clathrin-independent endocytic vesicles might display a compartment for intracellular replication of S. aureus.Staphylococcus aureus ist ein Humanpathogen mit einem intra-/extrazellulären Lebenszyklus der die Invasion von Wirtszellen ermöglicht um dort, geschützt vor dem Immunsystem und Antibiotika, zu überleben und sich zu teilen. Da ein besseres Verständnis über den intrazellulären Lebenszyklus von S. aureus die Entwicklung neuer therapeutischer Ansätze fördern könnte, war es das Ziel, die von S. aureus verwendeten Mechanismen zum Überleben in verschiedenen Wirtszellen zu untersuchen. Der hierfür verwendete Stamm exprimiert das mKikumeGR Reporter-System, das erlaubt die intrazelluläre metabolische Aktivität zu verfolgen und wurde genutzt, um in einem dualen RNA-Seq Ansatz Genexpressionsänderungen und mit dem metabolischen Status der Bakterien zu korrelieren. Die Transkriptionsprofile des Wirts, die hauptsächlich die Expression von pro-inflammatorischen Genen zeigen, unterschieden sich nicht zwischen den Makrophagen, die metabolisch aktive S. aureus und denen die metabolisch inaktive Bakterien enthielten. Daraus lässt sich schließen, dass der metabolische Status der Bakterien nicht zurückzuführen ist auf eine Heterogenität innerhalb der Wirtszellpopulation. Die metabolisch aktiven und inaktiven S. aureus exprimierten ein gemeinsames, grundlegendes Gen-Set, das die allgemeine Stressantwort auf das intrazelluläre Milieu darstellen. Außerdem konnten spezielle transkriptionelle Signaturen einzelnen bakteriellen Stoffwechselzuständen zugeordnet werden. Während metabolisch aktive S. aureus wichtige Gene für die Proliferation stärker exprimierten, zeigen metabolisch inaktive S. aureus ein Expressionsprofil, das auf oxidativen Stress und den Ruhezustand von Ribosomen hinweisen. Zudem wurde der Einfluss des Aufnahmeweges in die Wirtszellen auf das Überleben von S. aureus untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass das Bakterium einen zelltypabhängigen Weg nutzt um ein Kompartiment zu erreichen, in dem es sich teilen kann. Während eine α5ß1-Integrin vermittelte Aufnahme vermutlich über Macropinocytose genutzt wird um in Makrophagen zu gelangen, scheint die Invasion von Epithelzellen Hla-induziert über Caveolae abzulaufen. Außerdem beeinflusst die Polarisation von Makrophagen das Überleben von S. aureus, da im Gegensatz zu M1- nur M2- Makrophagen die intrazelluläre Replikation zuließen. Zusammengefasst liefert diese Studie Beweise für einen Aufnahme von S. aureus bei dem Clathrin-unabhängige endozytische Vesikel Kompartimente darstellen könnten, die eine Replikation zulassen
