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Proteomic adaptation of bacterial pathogens to antimicrobial peptides

  • Infections with bacterial pathogens are a major cause of morbidity and mortality worldwide. Furthermore, the extensive use of antibiotics increased the frequency of infections with drug-resistant pathogens. Streptococcus pneumoniae, a major cause of bacterial pneumonia, is among the pathogens that often show resistances. As an additional side effect, the use of antibiotics can disrupt the patient’s intestinal microbiome, allowing Clostridioides difficile to cause severe, recurring and hard-to-treat colitis. Hence, new antimicrobials are needed to combat infections caused by these pathogens. A promising approach is the usage of antimicrobial peptides (AMPs), defense molecules produced by organisms from all domains of life. AMPs can specifically perforate bacterial membranes and stimulate the overall immune response of the host. In this work, the proteomic adaptations of S. pneumoniae to the human antimicrobial peptides LL-37 and hBD3 were assessed by high-resolution mass spectrometry and compared to general membrane stress, in order to evaluate the specificity of the bacterial reactions. Furthermore, C. difficile was challenged with the Lactococcus lactis-derived AMP nisin, and the proteomic alterations were examined. In essence, application of LL-37 and hBD3 changed the abundance of pneumococcal proteins involved in membrane transport, including a putative AMP transporter, a protease, virulence proteins and genetic regulators. Moreover, a challenge with LL-37 caused an increase of proteins involved in cell surface modifications that alter the bacterial membrane charge and repel cationic molecules such as LL-37. In support of this, mutants unable to express these proteins were more sensitive to LL-37. In contrast, general membrane stress, induced by the application of cationic detergents, produced a diverse proteomic adjustment, though the same two-component regulatory system was activated. In C. difficile, levels of flagella proteins were significantly increased shortly after treatment with nisin, being in accordance with subsequent electron microscopy data and pointing at a role of these proteins in adaptation to nisin. Interestingly, a flagella-overexpressing mutant showed an enhanced resistance towards nisin, independent of bacterial motility. Taken together, the bacterial pathogens under investigation seem to possess mechanisms to reduce the effect of AMPs on their physiology, a finding that should be considered developing drugs based on AMPs. Although AMPs exhibit membrane perturbations as a common mechanism of action, bacterial adaptation to AMPs appear multifactorial and dependent on the exact pathogen observed and AMP used.
  • Infektionen mit bakteriellen Pathogenen tragen zu einem erheblichen Teil zur weltweiten Morbidität und Mortalität bei. Zusätzlich ist der Anteil an Infekten mit antibiotikaresistenten Krankheitserregern durch den extensiven Einsatz antibakterieller Wirkstoffe gestiegen. Unter den häufig resistenten Pathogenen befindet sich Streptococcus pneumoniae, ein bedeutender Auslöser der bakteriellen Pneumonie. Weiterhin kann eine Behandlung mit Antibiotika die Darmflora des Patienten zerstören und es Clostridioides difficile ermöglichen, eine ernsthafte, wiederkehrende und schwer zu behandelnde Kolitis zu verursachen. Für die Bekämpfung von Infektionen, die diese Pathogene hervorrufen, werden daher neue antimikrobielle Wirkstoffe benötigt. Ein vielversprechender Ansatz ist die Verwendung von antimikrobiellen Peptiden (AMPs), Abwehrmolekülen, die von Organismen aus allen Domänen des Lebens gebildet werden. AMPs können zielgerichtet bakterielle Membranen perforieren und das Immunsystem des Wirtes stimulieren. In dieser Arbeit wurde die Anpassung des Proteoms von S. pneumoniae als Reaktion auf die humanen antimikrobiellen Peptide LL-37 und hBD3 mittels hochauflösender Massenspektrometrie untersucht und zur Beurteilung der Spezifität der Adaptionen mit generellem Membranstress verglichen. Zudem wurde C. difficile dem aus Lactococcus lactis stammenden AMP Nisin ausgesetzt und die dadurch induzierten Veränderungen im Proteom analysiert. Im Wesentlichen hat der Einsatz von LL-37 und hBD3 die Abundanz von Membrantransportproteinen, inklusive eines putativen AMP Transporters, einer Protease, Virulenz-assoziierter Proteine, sowie von genetischen Regulatoren der Pneumokokken beeinflusst. Außerdem führte eine Behandlung mit LL- 37 zu einer Akkumulation von Zellwand-modifizierenden Proteinen, welche die bakterielle Oberflächenladung verändern und dadurch positiv geladene Moleküle wie LL- 37 abstoßen. Zusätzlich zeigten Mutanten, die diese Proteine nicht exprimieren können, eine erhöhte Sensitivität gegenüber LL-37. Im Gegensatz dazu führte Detergensinduzierter genereller Membranstress zu einer abweichenden Proteomanpassung, auch wenn das gleiche regulatorische Zweikomponentensystem aktiviert wurde. In C. difficile war die Menge von Flagellenproteinen kurz nach Zugabe von Nisin signifikant erhöht, was durch elektronenmikroskopische Aufnahmen bestätigt werden konnte und eine Rolle dieser Proteine in der Anpassung an Nisin nahelegt. Interessanterweise wies eine Flagellen-überexprimierende Mutante eine deutliche Resistenz gegenüber Nisin auf, die unabhängig von der bakteriellen Motilität war. Zusammenfassend deuten die Ergebnisse darauf hin, dass die untersuchten bakteriellen Pathogene Mechanismen besitzen, welche die Auswirkungen von AMPs auf ihre Physiologie begrenzen. Dies sollte bei der Entwicklung von Medikamenten basierenden auf AMPs beachtet werden. Obwohl AMPs die Bildung von Membranpertubationen als gemeinsamen Wirkmechanismus aufweisen, sind bakterielle Anpassungsmechanismen offenbar multifaktoriell und hängen von dem untersuchten Pathogen und verwendeten AMP ab.

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Metadaten
Author: Pierre-Alexander Mücke
URN:urn:nbn:de:gbv:9-opus-47301
Title Additional (German):Anpassung des Proteoms bakterieller Pathogene als Reaktion auf antimikrobielle Peptide
Referee:Prof. Dr. Dörte Becher, Prof. Dr. Julia Bandow
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2021
Date of first Publication:2021/08/05
Granting Institution:Universität Greifswald, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Date of final exam:2021/07/14
Release Date:2021/08/05
GND Keyword:proteomic adaptation, bacterial pathogens, antimicrobial peptides
Page Number:121
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Abteilung für Mikrobiologie und Molekularbiologie
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 570 Biowissenschaften; Biologie