A multi-omics view on the pathogen Yersinia pseudotuberculosis - bridging metabolism and virulence

Abstract

Yersinia pseudotuberculosis is a human pathogen that causes acute intestinal and systemic diseases. This study investigated the link between pathogenic traits and the metabolic core machinery of Y. pseudotuberculosis using a systems biology approach: the integration of gene expression profiles with metabolic pathway fluxes in the wild type and virulence regulator mutants. The absence of specific virulence regulators particularly perturbed fluxes and gene expression of pyruvate metabolism and tricarboxylic acid cycle, suggesting an involvement of this metabolic node in the virulence management system. Mutants, genetically perturbed in regulators of this metabolic branch point and one of its central enzymes, showed a significant reduction of virulence in an oral mouse infection model. This revealed the pyruvate- TCA cycle node as a focal point for controlling host colonization. Flux rerouting was also identified as response to applied antibiotic therapies. The examination of Yersinia’s fine-tuned adaptation was expanded to temperature, an important infection parameter, using a continuous culture with advanced temperature control to mimic the infection process. The virulence regulator RovA, known to respond to temperature and to control metabolic, stress, and virulence genes, was quantified by Western blot analysis and fluorescence-activated cell sorting. RovA showed a bistable behavior that generally maximizes survival by heterogeneity.

Das humanpathogene Bakterium Yersinia pseudotuberculosis verursacht ernsthafte intestinale und systemische Erkrankungen. In dieser Arbeit wurde die Verknüpfung von Pathogenität und Metabolismus in Yersinia pseudotuberculosis unter Verwendung von Transkriptom- und metabolischen 13C-Stoffflussanalysen untersucht. Virulenz-Regulator-Mutanten wiesen im Vergleich zum Wildtyp starke Veränderungen im Pyruvatmetabolismus und im Zitratzyklus auf. Die gezielte genetische Deregulation dieses Stoffwechselknotenpunktes führte zu Mutanten mit stark reduzierter Virulenz im Mausmodell. Der Pyruvat-Zitronensäure-Knoten konnte demnach als ein zentraler Punkt der Virulenzregulation identifiziert werden. Der Einfluss verschiedener Antibiotika auf die Stoffflussverteilung wies darüber hinaus auf einen komplexen Zusammenhang von Metabolismus und inhärenter Resistenz hin. Die feinregulierte Anpassung des Organismus während der Infektion wurde weiterführend anhand des temperaturabhängigen Transkriptionsregulators RovA untersucht, der Gene des Metabolismus, der Stressantwort und des Virulenzprogramms der Zelle kontrolliert. Der Infektionsprozess wurde dazu in einer kontinuierlichen Kultur mit präziser Temperaturführung simuliert. Western Blot Analysen und fluoreszenzgestützte Durchflusszytometrie zeigten bistabiles Verhalten des Proteins RovA. Die daraus hervorgehende Heterogenität der Population kann die Überlebenswahrscheinlichkeit der Gesamtpopulation erhöhen.