Identification of regulatory mechanisms important to control the Yersinia pseudotuberculosis type III secretion and virulence

Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung (HZI)
Kusmierek, Maria

The virulence strategy of pathogenic Yersinia relies on a program encoded on the virulence plasmid (pYV) and includes the adhesion factor YadA and the Ysc-Yop type III secretion system (T3SS). This program enables translocation of effector proteins into the host cell, subverting the host immune defense. Transcription of genes encoding for this program is activated by the regulator LcrF. LcrF production occurs only at host temperatures, preventing expression of yadA and ysc-yop outside the host. Host cell contact or low calcium signals trigger lcrF expression, resulting in massive synthesis of these virulence factors. Regulatory cascades adjusting the lcrF expression were investigated. In the absence of secretion signal, lcrF expression is downregulated by a negative feedback loop. The translocon component YopD accumulates inside the pathogen and prevents LcrF synthesis. YopD exerts a negative effect on the lcrF mRNA stability. Moreover, YopD was shown to positive affect RNase E and PNPase by interacting with the 5'-UTRs of their mRNAs. These enzymes, in turn, were found to repress LcrF synthesis. YopD was shown to reduce the pYV copy number, decreasing the lcrF amount. This work unraveled the mechanism of CsrA-mediated transcriptional repression of LcrF synthesis upon calcium depletion. The global regulator CsrA was shown to repress the transcriptional activator of LcrF, RcsB. CsrA was found to reduce the rcsB mRNA stability, decreasing lcrF transcription. Calcium limitation was shown to act as a global signal, inducing rearrangements in the Yersinia transcriptome mainly towards expression of the pYV-encoded virulence factors. This signal induces secretion of Yops, including YopD, increasing the pYV copy number and abolishing feedback inhibition of LcrF synthesis. Under calcium limitation and upon host cell contact CsrA was shown to stimulate lcrF translation initiation. CsrA was also found to increase the lcrF mRNA stability by repression of RNase E and PNPase. This work indicated that CsrA elevates the LcrF amount by increasing the pYV copy number. The present work demonstrated that LcrF is the only pYV-encoded factor required for induction of yadA expression upon host cell contact. Apart from CsrA, the OmpR/EnvZ ESRS, and the outer membrane porin OmpF have been suggested as promising factors that might be involved in sensing and/or transmission of the host cell contact signal to LcrF synthesis.

Die Virulenzstrategie von pathogenen Yersinia beruht auf einem auf dem Virulenzplasmid (pYV) kodiertem Programm, dass aus dem Adhäsionsfaktor YadA und dem Ysc-Yop-Typ-III-Sekretionssystem (T3SS) besteht. Das ermöglicht die direkte Translokation von Effektorproteinen in die Wirtszelle und inhibiert die Immunabwehr des Wirts. Die Transkription der Gene, die für das Programm kodieren, wird durch den Regulator LcrF aktiviert. Die LcrF-Synthese erfolgt nur bei Wirtstemperaturen. Das verhindert die Expression der yadA- und ysc-yop-Gene außerhalb des Wirts. Der Kontakt zu Wirtszellen oder die Calciumlimitierung induzieren die lcrF Expression und lösen eine massive Synthese von antiphagozytischen Virulenzfaktoren aus. Die regulatorische Kaskaden, die die LcrF Synthese kontrollieren, wurden untersucht. In Abwesenheit eines Sekretionssignals wird die lcrF-Expression über eine negative Rückkopplungsschleife verringert. Unter diesen Bedingungen akkumuliert die Translokon-Komponente YopD im Pathogen und verhindert die LcrF-Synthese durch einen negativen Effekt auf die lcrF- Transkriptstabilität. Außerdem, beeinflusst YopD positiv die RNase E und PNPase, über Interaktion mit den 5'-UTRs ihrer mRNAs. Diese Enzyme reduzieren wiederum die LcrF-Synthese. Zusätzlich, reduziert YopD die pYV-Kopienzahl, wodurch die lcrF-Menge verringert wird. Der globale Regulator CsrA beeinflusst negativ den Transkriptionsaktivator von LcrF, RcsB. CsrA reduziert die rcsB-Transkriptstabilität, was die lcrF-Transkription verringert. Die Calciumlimitierung ist ein globales Signal, dass großflächige Veränderungen im Yersinia-Transkriptom hauptsächlich zur Expression der pYV-kodierten Virulenzfaktoren auslöst. Dieses Signal induziert die Yops-Sekretion, einschließlich YopD. Das erhöht die pYV-Kopienzahl und hebt die Rückkopplungshemmung der LcrF-Synthese auf. Unter Calciumlimitierung oder bei Kontakt mit Wirtszellen induziert CsrA die lcrF-Translationsinitiation. CsrA erhöht auch die Stabilität des lcrF-Transkripts durch die negative Regulation von RNase E und PNPase. Außerdem, steigert CsrA die LcrF-Menge durch Erhöhen der pYV-Kopienzahl. Diese Arbeit zeigte, dass LcrF der einzige für die Zellkontakt-abhängige Induktion der yadA-Expression benötigte pYV-kodierte Faktor ist. Abgesehen von CsrA wurden das OmpR/EnvZ ESRS sowie das Membranporin OmpF als vielversprechende Faktoren vorgeschlagen, die an der Wahrnehmung und/oder Übertragung des Wirtskontaktsignals zur LcrF-Synthese beteiligt sein könnten.


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