Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Mechanisms of niche adaption by Yersinia

Schmühl, Carina Maria

Yersinia enterocolitica and Yersinia pseudotuberculosis are zoonotic pathogens and an important cause of bacterial gastrointestinal infections. This study presents transcriptomic analysis of both species, unraveling reprogramming of the transcriptional landscape under infection-relevant conditions. Tissue dual RNA-sequencing was applied to Y. pseudotuberculosis infected mice, leading to the identification of genes upregulated during the infection process. Additionally, several ncRNAs were upregulated in vivo. Deletion of single ncRNAs did not result in reduced virulence, probably due to redundancy in ncRNA function. However, simultaneous deletion of four ncRNAs in one strain significantly impaired the colonization of the murine host. Comparative high-resolution transcriptome analysis of Y. enterocolitica serotype O:8 (YeO:8) and O:3 (YeO:3) was performed. YeO:8 is highly mouse pathogenic and well characterized, whereas YeO:3 is frequently isolated from porcine and human hosts. This study provides the first global analysis of Y. enterocolitica on a single-nucleotide resolution. The transcriptome analysis revealed a global map of transcriptional start sites (TSS) for both serotypes, identifying TSS that were conserved among or specific for the serotypes. This approach also led to the identification of conserved and strain-specific ncRNAs and regulatory RNA elements that could contribute to the differential gene expression among the two serotypes. Moreover, comparative transcriptomics revealed gene expression differences of several virulence-relevant genes, indicating certain niche-adapted properties. Among the genes being upregulated in the recent outbreak strain of YeO:3 was the enterotoxin gene ystA. The expression of ystA was shown to be independent of differences in the promoter region between YeO:8 and YeO:3; it rather depends on a regulatory factor that differs between the strains. Overall, this study provides insights into the transcriptome organization of the enteropathogenic Yersinia species and reveals gene expression differences that could lead to phenotypic variation and adaption to certain niches.

Yersinia enterocolitica und Yersinia pseudotuberculosis sind zoonotische Pathogene und eine häufige Ursache für bakterielle, gastrointestinale Infektionen. In der vorliegenden Studie wurden anhand von Transkriptomanalysen die Veränderungen im Transkriptionsprofil der beiden Spezies unter infektionsrelevanten Bedingungen gezeigt. Mittels Tissue dual RNA-sequencing von Y. pseudotuberculosis infizierten Mäusen konnten Gene identifiziert werden, die während des Infektionsprozesses induziert werden. Dazu gehörten auch einige nicht-kodierende RNAs (ncRNAs). Eine Deletion einzelner ncRNAs hatte keinen Einfluss auf die Virulenz der Yersinien im Mausmodell. Eine signifikante Reduktion der Kolonisation trat hingegen auf, wenn mehrere ncRNAs simultan deletiert wurden, was auf eine Redundanz der verschiedenen ncRNAs hindeuten könnte. Im Rahmen der Studie wurde außerdem eine vergleichende Transkriptomanalyse mit den Y. enterocolitica Serotypen O:8 (YeO:8) und O:3 (YeO:3) durchgeführt. YeO:8 zeigt eine hohe Pathogenität im Mausmodell und wurde in vielen Studien gut charakterisiert. Der am häufigsten aus Schweinen und Menschen isolierte Serotyp ist hingegen YeO:3. Die vorliegende Studie stellt die erste globale Analyse von Y. enterocolitica in Einzel-Nukleotid Auflösung dar. Diese Analyse ermöglichte die Erstellung globaler Karten von konservierten und spezifischen Transkriptionsstarts (TSS) für beide Serotypen. Außerdem konnten konservierte und Stamm-spezifische ncRNAs und regulatorische RNA Elemente identifiziert werden, welche die differentielle Genexpression beider Serotypen beinflussen könnten. Darüber hinaus konnten anhand der vergleichenden Transkriptomanalyse Unterschiede in der Genexpression verschiedener Virulenz-relevanter Gene festgestellt werden. Dies deutet auf eine Anpassung der Serotypen an verschiedene Wirtsnischen hin. So ist im YeO:3 Ausbruchsstamm unter anderem das Gen ystA induziert, welches ein Enterotoxin kodiert. Es konnte gezeigt werden, dass die differentielle Expression von ystA nicht auf Unterschiede in der Promoterregion von YeO:8 und YeO:3 zurückzuführen ist. Sie scheint eher das Ergebnis von in den beiden Serotypen unterschiedlich exprimierten regulatorischen Faktoren von ystA zu sein. Zusammengefasst liefert die vorliegende Studie Einblicke in die Organisation der Transkriptome von enteropathogenen Yersinien. Es wurden Unterschiede in der Genexpression gezeigt, welche der Grund für phänotypische Variationen und die Adaption an unterschiedliche Wirtsnichen sein könnten.

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Schmühl, Carina: Mechanisms of niche adaption by Yersinia. Hannover 2018. Tierärztliche Hochschule Hannover.

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