Investigating the role of pseudomonas aeruginosa metabolism in virulence

Abstract

Η τρέχουσα παγκόσμια τάση αντοχής στα αντιβιοτικά απαιτεί νέες προσεγγίσεις για αντιμολυσματική θεραπεία. Η ψευδομονάδα (Pseudomonas aeruginosa), είναι ένα Gram-αρνητικό βακτήριο που ταξινομείται μεταξύ των παθογόνων πρώτης προτεραιότητας για την ανάγκη εξεύρεσης νέων και αποτελεσματικών θεραπειών. Σε αυτή την εργασία, επιδιώκοντας να εντοπίσουμε νέους θεραπευτικούς στόχους έναντι της P. aeruginosa, επικεντρωθήκαμε σε γονίδια του μεταβολισμού του βακτηρίου που σχετίζονται με τη λοιμογόνο δράση του, τα οποία δεν είναι απαραίτητα για τη φυσιολογική ανάπτυξή του. Για να εντοπίσουμε γονίδια που σχετίζονται με τη λοιμογόνο δράση του στελέχους PA14 της P. aeruginosa, αξιολογήσαμε 553 μεταβολικές και 95 μη μεταβολικές γονιδιακές μεταλλάξεις αυτού, στη Δροσόφιλα (Drosophila melanogaster) και βρήκαμε ότι το 16.5% των μεταβολικών και το 8.5% των μη μεταβολικών γονιδίων, απαιτούνται για τη πλήρη λοιμογόνο δράση του εν λόγω βακτηρίου. Ακολούθως παρατηρήσαμε ότι το 11.8% από τα επιλεγμένα στελέχη που φέρουν μεταλλάξεις σε μεταβολικά γονίδια, καθώς και όλα τα στελέχη που φέρουν μεταλλάξεις σε μη μεταβολικά γονίδια, αναπτύσσονται αποτελεσματικά στη βακτηριακή καλλιέργεια ή αποικίζουν τον ξενιστή κατά παρόμοιο τρόπο με το στέλεχος αγρίου τύπου. Επομένως, ένα σημαντικό ποσοστό των στελεχών που φέρουν μεταλλάξεις σε γονίδια του μεταβολισμού εμφανίζουν εξασθενημένη λοιμογόνο δράση, η οποία δε μπορεί να αποδοθεί σε αυξοτροφία. Τα εν λόγω γονίδια, ανήκουν σε 7 κύρια μεταβολικά μονοπάτια και τα στελέχη που φέρουν τις αντίστοιχες μεταλλάξεις εμφανίζουν μειωμένες ιδιότητες λοιμογόνου δράσης, καθώς και εξασθένηση σε μοντέλο οξείας επιμόλυνσης ποντικών. Επιπλέον, αξιολογήσαμε ποσοτικά την παθογονικότητα 18 πλήρως αλληλουχημένων στελεχών της P. aeruginosa και 12 πλήρως αλληλουχημένων στελεχών μη-P. aeruginosa σε δύο δοκιμασίες επιμόλυνσης στη Δροσόφιλα, και 6 από αυτά επικυρώθηκαν σε μοντέλο οξείας επιμόλυνσης ποντικών. Συγκριτική γονιδιωματική ανάλυση όλων των στελεχών δεν καταδεικνύει κάποια συσχέτιση μεταξύ της παθογονικότητας και του γονιδιακού περιεχομένου διαφορετικών στελεχών Pseudomonas. Επομένως, χρησιμοποιήσαμε μεταγραφωμική προσέγγιση με την οποία συγκρίναμε το μεταγράφημα 3ων υψηλών και 3ων χαμηλών σε παθογονικότητα στελεχών. Ανακαλύψαμε ότι η λοιμογόνος δράση της P. aeruginosa, η οποία μέχρι στιγμής παραμένει απρόβλεπτα συνδυαστική σε επίπεδο γονιδιώματος, μπορεί να περιγραφεί σε μεταγραφικό και λειτουργικό επίπεδο από συντηρημένα στοιχεία του μεταβολισμού, τα οποία ελέγχουν και υποδεικνύουν τη λοιμογόνο δράση σε διαφορετικά παθογόνα στελέχη P. aeruginosa.

The current worldwide spread of antibiotic resistance demands novel approaches for anti-infective therapy. Pseudomonas aeruginosa (P. aeruginosa) is a Gram-negative bacterium classified among the few priority pathogens urgently requiring new and effective treatments. In this study to identify novel therapeutic targets against P. aeruginosa, we focused on virulence-related metabolic genes, which are not essential for physiological bacterial growth. By assessing 553 metabolic and 95 non-metabolic gene mutants of the P. aeruginosa strain PA14 for virulence in Drosophila melanogaster, we found 16.5% of the metabolic and 8.5% of the non-metabolic genes to be important for full virulence. Strikingly, 11.8% of the selected metabolic and all the non-metabolic mutants grow efficiently in culture or colonize the host like the wild-type strain. Thus, a significant portion of the metabolic mutants, exhibit defects in virulence that cannot be attributed to auxotrophy. The identified metabolic genes belong to 7 central metabolic pathways and their mutants exhibit defects in various virulence properties, as well as in an acute murine lung infection assay. Moreover, we quantitively assessed the pathogenicity of 18 P. aeruginosa and 12 non-P. aeruginosa fully sequenced strains in two Drosophila infection assays, and six strains were validated in a mouse infection assay. Comparative genomic analysis of all strains shows no correlation between pathogenicity and gene content of different Pseudomonas strains. For this reason, we used a transcriptomic approach by which we made a comparison between the transcriptome and the virulence potential of 3 high and 3 low in virulence P. aeruginosa strains. We found that P. aeruginosa virulence, which to this point remains unpredictably combinatorial at the genome level, may be described at the transcriptome and functional level by conserved core-metabolism modules that control and indicate the virulence of disparate P. aeruginosa strains.