Characterization of Chromosomally Encoded Toxin-Antitoxin Systems in Streptococcus pyogenes

Abstract

Streptococcus pyogenes ist ein humanpathogenes Bakterium, welches verschiedene Gewebe besiedeln kann und dadurch unterschiedliche Krankheiten verursacht. Die enorme Anpassungsfähigkeit des Bakteriums beruht auf dessen Fähigkeit, verschiedene, vom Wirt induzierte Stresskonditionen zu ertragen. Genetische Faktoren, die in diesem Zusammenhang eine Rolle spielen, sind Toxin-Antitoxin (TA) Systeme. Typ II TA Systeme kodieren für zwei Proteine, ein Toxin und ein Antitoxin, die einen stabilen TA Komplex bilden. Verschlechtern sich die Wachstumsbedingungen, kann das Antitoxin proteolytisch abgebaut werden, wodurch das freigesetzte Toxin essentielle zelluläre Prozesse des Bakteriums inhibiert. In dieser Studie charakterisierte ich zwei chromosomal kodierte ParDE TA Systeme des pathogenen Bakteriums S. pyogenes. Ähnlich zu anderen Systemen werden das Toxin und das Antitoxin beider hier charakterisierten Systeme co-transkribiert und durch Stresseinwirkung (z.B. Aminosäure-mangel) induziert. Zudem konnten weitere posttranskriptionelle bzw. posttranslationale Mechanismen zur Regulierung der Genexpression beider Systeme nachgewiesen werden. Die extrachromosomale Expression der Toxine ParE1 und ParE2 führten in S. pyogenes und Escherichia coli zum Zelltod, wobei die Co-expression der entsprechenden Antitoxine ParD1 und ParD2 die Toxizität minderte. Allerdings verursachte die Überexpression der Antitoxine allein ebenfalls eine Inhibierung des Zellwachstums. ParD1 hemmte die Zellteilung in E. coli, wobei der N-Terminus des Proteins entscheidend für diesen Effekt zu sein schien. Zusammengefasst erweitern die Ergebnisse dieser Arbeit unser Verständnis von ParE Toxinen und verdeutlichen die diversen Mechanismen, welcher sich TA Systeme bedienen, um die bakterielle Physiologie zu beeinflussen. Zusätzlich gibt diese Arbeit einen Einblick in mögliche Mechanismen, die S. pyogenes implementiert, um Stresskonditionen im Wirt zu überdauern.

Streptococcus pyogenes is a human pathogen with a remarkable ability to colonize different tissues and to endure diverse host-induced stress conditions through mechanisms that have yet to be fully understood. One strategy employed by bacteria to cope with changing environments are toxin-antitoxin (TA) genetic modules. Under non-ideal conditions, the antitoxin is subject to proteolysis and thus the freed toxin protein can target crucial pathways in the cell modulating bacterial growth. This study, describes the characterization of two chromosomally encoded ParDE-like TA systems from the human pathogen S. pyogenes. The antitoxin-toxin genes of the parDEF1 and parDE2 TA systems are co-transcribed and triggered by stress-induced conditions. The parDE2 TA showed an inspected mRNA processing under amino acid starvation which suggest a putative post-transcriptional regulation. At the post-translational level, both systems are controlled by ClpXP antitoxin-protein degradation in vivo, an important factor for TA triggering. Furthermore, bacterial plasmid-based expression of the toxins ParE1 and ParE2 resulted in effects in cell viability while the antitoxin molecules ParD1 and ParD2 were able to prevent the toxins lethality, respectably. Unlike canonical antitoxins, both ParD1 and ParD2 molecules also displayed deleterious effects, which seemed to be exclusive and related with the N-terminus domain potentially involved in DNA-interaction. Finally, the ParE toxins presented remarkable plasticity, able to harm not only gyrase but also topoisomerase IV, two important bacterial drug targets that modulate DNA-topology. These results expand the view on the ParE molecular targets and highlight the diverse mechanisms TAs employ to modulate bacterial physiology. We also provide more insights into possible mechanisms that S. pyogenes employs to endure stress in the host and efficiently cause disease.