The role of O-specific antigen expression and its impact on virulence regulation and adaptation of Pseudomonas aeruginosa

Hartmann, Oliver

doi:10.24355/dbbs.084-202505230939-0

Published

The role of O-specific antigen expression and its impact on virulence regulation and adaptation of Pseudomonas aeruginosa

English
German

Pseudomonas aeruginosa is a versatile bacterium found in various environments and is a well-known opportunistic human pathogen, particularly in hospital-acquired infections. It causes both acute and chronic biofilm-associated infections, posing a significant threat due to its ability to form biofilms, increasing rates of multi-drug resistance, and its large repertoire of virulence factors. Among these, bacterial motility is a key virulence factor, playing a crucial role in enhancing host-pathogen interactions and facilitating invasion. This study aimed to unravel contributors to bacterial motility and infection establishment, providing deeper insights into P. aeruginosa pathogenicity and adaptability.

To achieve this, we employed a combinatorial approach, conducting a global motility screen with a collection of clinical P. aeruginosa PA14-like isolates, alongside transcriptional profiling of these isolates. Through this approach, we identified the O-specific antigen (OSA) biosynthesis gene cluster of P. aeruginosa PA14, a component of lipopolysaccharides (LPS), as potentially involved in swimming and twitching motility. We generated clean knockout mutants, to confirm its role in OSA biosynthesis and resistance to human serum, demonstrating that the absence of OSA increases cell surface hydrophobicity by exposing the hydrophobic lipid A molecule. Phenotypic characterization revealed an environment-dependent effect on bacterial motility and antimicrobial resistances. Further investigation highlighted the role of OSA in biofilm formation, altering biofilm structure and enhancing the biofilm maturation process.

Additionally, we gained insights into the role of OSA during infection. We demonstrated that OSA expression is critical during the early stages of infection, providing protection against the host immune response, enabling P. aeruginosa to reach its full virulence potential, and promoting infection establishment. Transcriptional profiling and antibiotic treatment studies during ongoing infections further clarified the role of OSA in bacterial adaptability and infection progression.

Overall, this study contributes to our understanding of the O-specific antigen as a key marker of adaption during infection. We shed light into the regulatory mechanism underlying its downregulation, which facilitates the transition from a motile, planktonic state to a sessile, biofilm-associated lifestyle, underlying its importance in infection progression.

Pseudomonas aeruginosa ist ein vielseitiges Bakterium, das in verschiedenen Umgebungen vorkommt und ein bekannter opportunistischer Krankheitserreger beim Menschen ist, insbesondere bei nosokomialen Infektionen. Es verursacht sowohl akute als auch chronische Biofilm-assoziierte Infektionen und stellt aufgrund seiner Fähigkeit zur Bildung von Biofilmen, der zunehmenden Multiresistenz und seines großen Repertoires an Virulenzfaktoren eine erhebliche Bedrohung dar. Einer dieser Faktoren ist die bakterielle Motilität, die eine entscheidende Rolle bei der Förderung von Wirt-Pathogen-Interaktionen und der Erleichterung der Invasion spielt. Ziel dieser Studie war es, die Faktoren zu entschlüsseln, die zur bakteriellen Motilität und zur Etablierung der Infektion beitragen, um so tiefere Einblicke in die Pathogenität und Anpassungsfähigkeit von P. aeruginosa zu erhalten.

Um dies zu erreichen, haben wir einen kombinierten Ansatz angewandt, bei dem wir ein globales Motilitätsscreening mit einer Sammlung von klinischen P. aeruginosa PA14-ähnlichen Isolaten sowie eine Transkriptionsprofilerstellung dieser Isolate durchgeführt haben. Mit diesem Ansatz identifizierten wir das Gencluster für die Biosynthese des O-spezifischen Antigens (OSA) von P. aeruginosa PA14, einer Komponente der Lipopolysaccharide (LPS), als potenziell an der Schwimm- und Zuckungsmotilität beteiligt. Wir haben saubere Knockout-Mutanten erzeugt, die die Rolle des Gencluster bei der OSA-Biosynthese und der Resistenz gegenüber Humanserum bestätigten und zeigen, dass das Fehlen von OSA zu einer erhöhten Hydrophobizität der Zelloberfläche führt, da das hydrophobe Lipid A-Molekül freigelegt wird. Die phänotypische Charakterisierung ergab umweltabhängige Auswirkungen auf die bakterielle Motilität und antimikrobielle Resistenz. Weitere Untersuchungen unterstrichen die Bedeutung des OSA bei der Biofilmbildung, der Veränderung der Biofilmstruktur und der Förderung des Biofilmreifungsprozesses.

Darüber hinaus haben wir Einblicke in die Rolle von OSA während der Infektion gewonnen. Wir konnten nachweisen, dass die OSA-Expression in den frühen Phasen der Infektion entscheidend ist, da sie Schutz vor der Immunantwort des Wirts bietet, P. aeruginosa in die Lage versetzt, sein volles Virulenzpotenzial zu erreichen, und die Etablierung der Infektion fördert. Studien zum Transkriptionsprofil und zur Antibiotikabehandlung während laufender Infektionen klärten die Rolle von OSA bei der bakteriellen Anpassungsfähigkeit und dem Fortschreiten der Infektion weiter auf.

Insgesamt trägt diese Studie zu unserem Verständnis des O-spezifischen Antigens als Schlüsselmarker für die Anpassung während der Infektion bei. Wir konnten den Regulationsmechanismus aufklären, der seiner Herunterregulierung zugrunde liegt, die den Übergang von einem beweglichen, planktonischen Zustand zu einer sessilen, Biofilm-assoziierten Lebensweise erleichtert, was seine Bedeutung für das Fortschreiten der Infektion erklärt.