Vergleichende Untersuchung von klinischen Listeria monocytogenes Stämmen

Vergleichende Untersuchung von klinischen Listeria monocytogenes Stämmen - Charakterisierung auf Genom- und Transkriptom-Ebene sowie in gängigen phänotypischen Testsystemen

In dieser Arbeit werden aktuelle klinische Listerienausbruch-Isolate und in der Literatur häufig verwendete Referenzstämmen untersucht und verglichen. Die hier ausgewählten Stämme bilden dabei klinisch-relevante klonale Komplexe und Serotypen ab. Neben der phänotypischen Testung in Modellsystemen hinsichtlich Virulenz, Befähigung zur Invasion von Epithelzellen, Beweglichkeit, Biofilmbildung und Flagellierung, liegt der Hauptfokus dieser Arbeit dabei auf dem Transkriptom der Stämme und insbesondere der transkriptionellen Anpassung beim Wachstum während intrazellulären Bedingungen. Mit diesem intrazellulären Modellsystem schließt sich diese Arbeit an frühere Arbeiten an (Hain et al., 2012; Schultze et al., 2015) und erweitert die zuvor gewonnenen Erkenntnisse. Hierbei können Gemeinsamkeiten aller Stämme herausgearbeitet und frühere Ergebnisse für eine größere Gruppe an Listerienstämmen bestätigt werden. Beispielsweise zeigte ein Vergleich homologer Gene, dass die zuvor beschrieben induzierte Transkription der frühen Gene der Bakteriophagen weitestgehend konserviert ist für die Phagen der verschiedenen Listerienstämme. Darüber hinaus ermöglicht der Vergleich homologer Gene aber auch die Identifizierung, von Genen die für alle Listerienstämme intrazellulär induziert vorliegen. Eine Suche innerhalb Serotyp-spezifischen Genen, die intrazellulär induziert vorlagen, ermöglichte schließlich auch die Identifizierung eines putativen Virulenz- bzw. Adhäsionsfaktors, der den Stämmen des phänotypisch weniger virulenten Serotyps fehlt.
Neben den protein-kodierenden Transkripten bildet die Studie auch die Expression der nicht-kodierenden Transkripte ab, wodurch konserviert induzierte sRNA beschrieben werden können. Damit liefert diese Arbeit einen ersten Schritt im Sinne der funktionellen Aufklärung der sRNA, sie birgt aber auch durch Koexpressionsanalysen der sRNA mit Transkripten ein enormes Potenzial für spätere Studien.
Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war die Suche nach Unterschieden zwischen den Stämmen. Dazu wurde ein Visualisierungsansatz vorgestellt, der die vergleichende Darstellung der Transkription von Operons für die untersuchten Listerienstämme ermöglicht. Durch diesen Ansatz konnten atypische Stamm-spezifische Transkriptionsmuster bei einzelnen Listerienstämmen für die σB-abhängige Stressregulation, die Flagellengene und die Virulenzgene identifiziert werden. Einhergehend mit diesen Stamm-spezifischen Besonderheiten der Transkription, konnten auch phänotypische Auffälligkeiten für diese Stämme in Testungen der Beweglichkeit bei Infektionstemperaturen oder der Virulenz beobachtet werden. Bis auf einen Fall konnten für diese Stämme Erklärungsmodelle basierend auf genomischen Unterschieden entwickelt werden. Eine Kenntnis der Stamm-spezifischen Besonderheiten ist von elementarer Bedeutung für zukünftige Studien, um artifizielle Ergebnisse in Folge der Wahl des Untersuchungsstammes vorzubeugen. Die Bedeutung wird dadurch unterstrichen, dass einer der betroffenen Stämme ein weitverbreiteter Referenzstamm ist. Im Falle der Unterschiede der Flagellierung legen die Ergebnisse dieser Arbeit beispielsweise nahe, dass diverse etablierte phänotypische Modellsysteme hierdurch beeinflusst werden. In this work, Listeria monocytogenes strains of recent outbreaks and popular reference strains were investigated in a comparative manner. The selected strains cover clonal complexes and serotypes, which are most prevalently found in the clinics. Besides phenotypical assays regarding virulence, host cell invasion, biofilm formation and motility, the main focus concerned transcriptional adaptation when facing intracellular conditions. Using this intracellular transcriptomic approach, this work continued the efforts of earlier studies (Hain et al., 2012; Schultze et al., 2015) and revisits previous findings by investigating a less bias-prone selection of strains. Common transcriptional patterns were revealed, and previous findings were validated using this selection of strains. A comparison of homologues genes, for instance, exhibited that the previously reported induced transcription of ‘early genes’ is a conserved response to intracellular conditions, which is observed for multiple bacteriophages among the investigated strains. Moreover, a core set of genes intracellularly induced for all strains was identified. A similar search among serotype-specific genes led to the identification of a putative virulence and adhesion factor, which strains of the less virulent serotype are lacking.
Besides protein-coding transcripts, this approach also provides insights concerning changes of sRNA expression. By describing a core set of conserved intracellular induced sRNA, this work represents an initial step concerning the characterization of these sRNA. Furthermore, the data presented here enables analysis of coexpression between sRNA and transcripts, which will prove to be extremely valuable for future studies.
Apart from the search for common pattern, another goal of this work was to unveil atypical behavior among the strains. To this end, a visualization-based approach was introduced which facilitates displaying transcription for whole operons. Utilizing this approach strain-specific behavior was identified for strains concerning σB-dependent stress response, flagellar expression and virulence genes. In agreement with these results, phenotypical assays identified differences concerning strain motility at infectious temperatures or attenuated virulence for the affected strains respectively. Underlying differences on the genome-level were pinpointed in all but one case. Knowledge of atypical strain behavior is crucial when selecting a strain for future studies. Here, the importance is underlined by the fact that one of the affected strains serves as a popular reference strain. In case of the observed differences regarding flagellum expression, for instance, this work provides evidence that several phenotypical assays are affected by this strain-specific property.