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Bitte verwenden Sie diesen Link, wenn Sie dieses Dokument zitieren oder verlinken wollen: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:9-opus-25152

Functional characterization of a novel protease isolated from a mouse-adapted S. aureus strain

  • Background: The high incidence of methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) strengthens the need for new effective antibiotics and a protective vaccine. Up till now, mainly human-adapted Staphylococcus aureus strains were used to study S. aureus pathogenicity in mouse models. However, it is known that S. aureus is highly host-specific. Recently, a mouse-adapted S. aureus strain, JSNZ, was identified. This strain could be a promising tool in developing more appropriate infection models. JSNZ produces high amounts of a putative extracellular protease, named JSNZ extracellular protease (Jep). Since the jep gene was only detected in S. aureus isolates from laboratory mice and wild small rodents and shrews, we hypothesize that Jep is important for colonization and infection in mice. The jep deletion mutant previously created by our collaborators from the University of Auckland, New Zealand, intriguingly showed a reduced survival and growth fitness in murine serum and whole blood as compared to the JSNZ wild type (WT) strain. Objective: To elucidate the role of Jep in the interaction between S. aureus and its host by comparing the impact of JSNZ WT with a mutant and a complement strain on the murine immune system. In addition, the elucidation of possible genetic factors behind host-adaptation of S. aureus strains isolated from wild rodents and shrews. Methods: A jep complemented strain was generated by chromosomal replacement. JSNZ WT, the jep mutant and the complement strain were subjected to functional assays (whole blood survival assay, coagulation assay). In addition, the genetic background that might confer host specificity was tested by staph array genotyping. Results: The mutant strain JSNZDjep was successfully complemented with the jep gene using a chromosomal integration approach. The WT strain and the complemented strain produced the Jep protein in comparable amounts. Unexpectedly, the complemented strains did not behave like the WT strain but rather like the mutant in a series of in vitro assays. Firstly, the growth of both the deletion mutant and the complemented strains was slightly reduced in TSB as compared to the WT strain. Secondly, the jep knockout strain showed a strongly reduced survival in murine whole blood compared to its wild type counterpart, but so did the complemented strain. Finally, the coagulation of murine plasma was less pronounced for the jep deletion mutant and the complemented strain as compared to the JSNZ WT. To exclude a defect in jep gene expression, we compared the amount of Jep expressed during growth in TSB medium for the three strains. The complemented strain produced Jep in a manner similar to the WT strain in a growth-phase dependent manner, suggesting that Jep expression was not affected during the creation of the complemented strain. The array data showed some differences in the genetic makeup between animal isolated strains and matched human strains. For example, while all animal isolates of the CC88 lacked the resistance mecA gene it was found in some human isolates of the same strain. Conclusion: In conclusion, our unidentified mutation created during the generation of the jep knock-out strain rather than the jep gene itself manipulated the murine immune response. The responsible gene and the underlying mechanisms remain to be clarified. Genetic profiling of S. aureus strains allowed us to obtain some valuable information including data about CC49, the most frequently isolated lineage in wild rodents and shrews where compared to the human isolates the murine strains showed clear signs of host adaptation. However, the analysis had several limitations including the small sample size.
  • Hintergrund: Die hohe Inzidenz von Methicillin-resistenten Staphylococcus aureus (MRSA) verstärkt die Notwendigkeit neuer wirksamer Antibiotika und eines Schutzimpfstoffs. Bisher wurden hauptsächlich human-adaptierte Staphylococcus aureus-Stämme verwendet, um die Pathogenität von S. aureus in Mausmodellen zu untersuchen. Es ist jedoch bekannt, dass S. aureus sehr wirtsspezifisch ist. Vor kurzem wurde ein Maus-adaptierter S. aureus-Stamm, JSNZ, identifiziert. Dieser Stamm könnte ein vielversprechendes Instrument zur Entwicklung geeigneter Infektionsmodelle sein. JSNZ produziert große Mengen einer mutmaßlichen extrazellulären Protease, genannt JSNZ extrazelluläre Protease (Jep). Da das jep-Gen nur in S. aureus-Isolaten von Labormäusen und wilden kleinen Nagetieren und Spitzmäusen nachgewiesen wurde, nehmen wir an, dass Jep für die Kolonisation und Infektion bei Mäusen wichtig ist. Die jep-Deletionsmutante, die zuvor von unseren Kooperationspartnern der University of Auckland, Neuseeland, erstellt wurde, zeigte im Vergleich zu dem JSNZ-Wildtyp-Stamm (WT-Stamm) erstaunlich geringere Überlebensrate und Wachstumsfähigkeit im Serum von Maus und Vollblut. Ziel: Ermittlung der Rolle von Jep in der Interaktion zwischen S. aureus und seinem Wirt durch Vergleich der Auswirkungen von JSNZ WT mit einem Mutanten- und einem Komplement-Stamm auf das murine Immunsystem. Die Ermittlung möglicher genetischer Faktoren bei der Wirtsadaptation von S. aureus-Stämmen, die aus Wildnagetieren und Spitzmäusen isoliert wurden. Methoden: Ein durch jep ergänzter Stamm wurde durch Chromosomenersatz erzeugt. JSNZ WT, die Jep-Mutante und der Komplementstamm wurden Funktionstests (VollblutÜberlebensassay, Koagulationsassay) unterzogen. Darüber hinaus wurde der genetische Hintergrund, der die Wirtsspezifität verleihen kann, durch Staph-Array-Genotypisierung getestet. Ergebnisse: Der Mutantenstamm JSNZDjep wurde erfolgreich mit dem jep-Gen unter Verwendung eines chromosomalen Integrationsansatzes ergänzt. Der WT-Stamm und der komplementierte Stamm produzierten das Jep-Protein in vergleichbaren Mengen. Unerwarteterweise verhielten sich die komplementierten Stämme nicht wie der WT-Stamm, sondern eher wie die Mutante in einer Reihe von In-vitro-Assays. Erstens war das Wachstum sowohl der Deletionsmutante als auch der komplementierten Stämme in TSB im Vergleich zum WT-Stamm leicht verringert. Zweitens zeigte der Jep-Knockout-Stamm im Vergleich zu seinem Wildtyp-Gegenstück ein stark verringertes Überleben im murinen Vollblut, aber auch der ergänzte Stamm. Schließlich war die Koagulation von Mausplasma für die jep-Deletionsmutante und den komplementierten Stamm im Vergleich zum JSNZ-WT weniger ausgeprägt. Um einen Defekt bei der Genexpression von jep auszuschließen, verglichen wir die während des Wachstums in TSB-Medium exprimierte Menge an Jep für die drei Stämme. Der komplementierte Stamm erzeugte Jep auf ähnliche Weise wie der WT-Stamm in einer von der Wachstumsphase abhängigen Weise, was darauf schließen lässt, dass die Jep- Expression während der Erzeugung des komplementären Stamms nicht beeinflusst wurde. Die Array-Daten zeigten einige Unterschiede in der genetischen Ausstattung zwischen Tierstämmen und übereinstimmenden humanen Stämmen. Während zum Beispiel allen tierischen Isolaten des CC88 das Resistenz-mecA-Gen fehlte, wurde es in einigen menschlichen Isolaten des gleichen Stammes gefunden. Schlussfolgerung: Zusammenfassend hat unsere nicht identifizierte Mutation, die während der Erzeugung des jep-Knock-Out-Stamms statt des jep-Gens selbst erzeugt wurde, die murine Immunantwort manipuliert. Das verantwortliche Gen und die zugrundeliegenden Mechanismen müssen noch geklärt werden. Durch das genetische Profiling von S. aureus-Stämmen konnten wir einige wertvolle Informationen erhalten, darunter Daten zu CC49, der am häufigsten isolierten Abstammungslinie bei Wildnagetieren und -spitzmäusen, bei denen die Mausstämme im Vergleich zu den menschlichen Isolaten deutliche Anzeichen einer Wirtsadaption zeigten. Die Analyse hatte jedoch einige Einschränkungen, einschließlich der geringen Stichprobengröße.

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Metadaten
Author: Heba El Gohary
URN:urn:nbn:de:gbv:9-opus-25152
Title Additional (German):Funktionelle Charakterisierung einer neuen Protease, die aus einem Maus-adaptierten S. aureus-Stamm isoliert wurde
Referee:Prof. Dr. med. Barbara M. Bröker, Prof Dr. rer. nat. Christiane Wolz
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2018
Granting Institution:Universität Greifswald, Universitätsmedizin
Date of final exam:2019/02/11
Release Date:2019/02/27
Tag:JSNZ, S. aureus, jep Gene
GND Keyword:Impfstoff, Staphylococcus aureus
Pagenumber:106
Faculties:Universitätsmedizin / Institut für Immunologie u. Transfusionsmedizin - Abteilung Immunologie
DDC class:600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 610 Medizin und Gesundheit