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The role of ArlRS and VraSR in regulating ceftaroline hypersusceptibility in methicillin-resistant Staphylococcus aureus
(MDPI, 2021) Villanueva San Martín, Maite; Roch, Melanie; Lasa Uzcudun, Íñigo; Renzoni, Adriana; Kelley, William L.; Ciencias de la Salud; Osasun Zientziak
Methicillin-resistant Staphylococcus aureus infections are a global health problem. New control strategies, including fifth-generation cephalosporins such as ceftaroline, have been developed, however rare sporadic resistance has been reported. Our study aimed to determine whether disruption of two-component environmental signal systems detectably led to enhanced susceptibility to ceftaroline in S. aureus CA-MRSA strain MW2 at sub-MIC concentrations where cells normally continue to grow. A collection of sequential mutants in all fifteen S. aureus non-essential two-component systems (TCS) was first screened for ceftaroline sub-MIC susceptibility, using the spot population analysis profile method. We discovered a role for both ArlRS and VraSR TCS as determinants responsible for MW2 survival in the presence of sub-MIC ceftaroline. Subsequent analysis showed that dual disruption of both arlRS and vraSR resulted in a very strong ceftaroline hypersensitivity phenotype. Genetic complementation analysis confirmed these results and further revealed that arlRS and vraSR likely regulate some common pathway(s) yet to be determined. Our study shows that S. aureus uses particular TCS environmental sensing systems for this type of defense and illustrates the proof of principle that if these TCS were inhibited, the efficacy of certain antibiotics might be considerably enhanced.
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Base pairing interaction between 5′- and 3′-UTRs controls icaR mRNA translation in Staphylococcus aureus
(Public Library of Science, 2013) Ruiz de los Mozos Aliaga, Igor; Vergara Irigaray, Marta; Segura, Víctor; Villanueva San Martín, Maite; Bitarte Manzanal, Nerea; Saramago, Margarida; Domingues, Susana; Arraiano, Cecilia M.; Fechter, Pierre; Romby, Pascale; Valle Turrillas, Jaione; Solano Goñi, Cristina; Lasa Uzcudun, Íñigo; Toledo Arana, Alejandro; IdAB. Instituto de Agrobiotecnología / Agrobioteknologiako Institutua
The presence of regulatory sequences in the 39 untranslated region (39-UTR) of eukaryotic mRNAs controlling RNA stability and translation efficiency is widely recognized. In contrast, the relevance of 39-UTRs in bacterial mRNA functionality has been disregarded. Here, we report evidences showing that around one-third of the mapped mRNAs of the major human pathogen Staphylococcus aureus carry 39-UTRs longer than 100-nt and thus, potential regulatory functions. We selected the long 39-UTR of icaR, which codes for the repressor of the main exopolysaccharidic compound of the S. aureus biofilm matrix, to evaluate the role that 39-UTRs may play in controlling mRNA expression. We showed that base pairing between the 39- UTR and the Shine-Dalgarno (SD) region of icaR mRNA interferes with the translation initiation complex and generates a double-stranded substrate for RNase III. Deletion or substitution of the motif (UCCCCUG) within icaR 39-UTR was sufficient to abolish this interaction and resulted in the accumulation of IcaR repressor and inhibition of biofilm development. Our findings provide a singular example of a new potential post-transcriptional regulatory mechanism to modulate bacterial gene expression through the interaction of a 39-UTR with the 59-UTR of the same mRNA.
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The regulon of the RNA chaperone CspA and its auto-regulation in Staphylococcus aureus
(Oxford University Press, 2018) Caballero Sánchez, Carlos; Menéndez Gil, Pilar; Catalán Moreno, Arancha; Vergara Irigaray, Marta; García Martínez, Begoña; Segura, Víctor; Irurzun Domínguez, Naiara; Villanueva San Martín, Maite; Ruiz de los Mozos Aliaga, Igor; Solano Goñi, Cristina; Lasa Uzcudun, Íñigo; Toledo Arana, Alejandro; IdAB. Instituto de Agrobiotecnología / Agrobioteknologiako Institutua; Universidad Pública de Navarra / Nafarroako Unibertsitate Publikoa
RNA-binding proteins (RBPs) are essential to finetune gene expression. RBPs containing the coldshock domain are RNA chaperones that have been extensively studied. However, the RNA targets and specific functions for many of them remain elusive. Here, combining comparative proteomics and RBPimmunoprecipitation- microarray profiling, we have determined the regulon of the RNA chaperone CspA of Staphylococcus aureus. Functional analysis revealed that proteins involved in carbohydrate and ribonucleotide metabolism, stress response and virulence gene expression were affected by cspA deletion. Stress-associated phenotypes such as increased bacterial aggregation and diminished resistance to oxidative-stress stood out. Integration of the proteome and targetome showed that CspA posttranscriptionally modulates both positively and negatively the expression of its targets, denoting additional functions to the previously proposed translation enhancement. One of these repressed targets was its own mRNA, indicating the presence of a negative post-transcriptional feedback loop. CspA bound the 5 UTR of its own mRNA disrupting a hairpin, which was previously described as an RNase III target. Thus, deletion of the cspA 5 UTR abrogated mRNA processing and auto-regulation. We propose that CspA interacts through a U-rich motif, which is located at the RNase III cleavage site, portraying CspA as a putative RNase III-antagonist.
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Genetic reductionist approach for studing the two-component signaling system in Staphylococcus aureus
(2014) Villanueva San Martín, Maite; Lasa Uzcudun, Íñigo; Toledo Arana, Alejandro; Producción Agraria; Nekazaritza Ekoizpena
Staphylococcus aureus es una bacteria ubicua capaz de colonizar una gran variedad de ambientes. En el hombre, S. aureus coloniza las fosas nasales, piel de las axilas, ingles, garganta o incluso el tracto intestinal. Se calcula que un 20% de las personas adultas son portadores nasales de S. aureus. En determinadas circunstancias, la bacteria es capaz de atravesar la barrera epitelial y alcanzar los órganos internos. Cuando esto ocurre, S. aureus se convierte en un patógeno muy versátil capaz de causar enfermedades muy diversas, que pueden ir desde infecciones leves como forúnculos o abscesos hasta enfermedades graves como endocarditis, osteomielitis, neumonía o síndrome del shock tóxico. El desarrollo de S. aureus en distintos ambientes requiere que la bacteria sea capaz de sensar las condiciones ambientales, transmitir los estímulos al citoplasma y activar los cambios necesarios para adecuar la fisiología a dicho ambiente. El principal mecanismo para sensar y responder a las señales ambientales en bacterias son los sistemas de dos-componentes (TCSs). Los TCSs están formados por un sensor de membrana o histidinekinase (HK) y un regulador de respuesta citoplásmico (RR). En el proceso de activación, el sensor recibe su señal específica y se auto fosforila en un dominio histidina. A continuación el fosfato es transferido al residuo aspártico del RR que se encuentra en el citoplasma. De esta forma, el RR se activa y desencadena una respuesta que será acorde a la señal recibida. Normalmente, una bacteria posee varios TCSs, siendo su número proporcional al tamaño del genoma, al número de ambientes distintos en las que es capaz de crecer y a la complejidad de su diferenciación celular. Así, bacterias que viven en ambientes muy constantes, como las bacterias intracelulares estrictas carecen de TCSs, mientras que bacterias que viven en ambientes diversos pueden poseer cientos de ellos. En relación con el número y la función de los TCSs existen varias preguntas que hasta ahora no han sido analizadas: ¿cuántos TCSs necesita una bacteria de vida libre? ¿Son necesarios los TCSs cuando la bacteria crece en un ambiente constante? ¿Existe activación cruzada entre TCSs distintos in vivo? Para responder a estas preguntas y realizar un estudio global de los procesos celulares controlados por los TCSs, en esta tesis hemos realizado una aproximación genética reduccionista usando como modelo dos cepas genéticamente no relacionadas de S. aureus. El trabajo ha consistido en la deleción completa de los 15 TCSs no esenciales que posee S. aureus y la mutación del sensor (WalK) del TCS walKR, cuya deleción completa resulta letal. Las bacterias resultantes carecen del sistema sensorial y su obtención demuestra que en condiciones ambientales constantes estos sistemas son dispensables para la vida de S. aureus. Los mutantes deficientes en los TCSs muestran niveles de crecimiento indistinguibles a los de la cepa salvaje a 37ºC y 44ºC y un patrón metabólico similar. En cambio, los mutantes tienen deficiencias en el crecimiento a 28ºC, pierden la capacidad de reducción de nitratos, muestran mayor sensibilidad al Tritón X-100 así como una menor capacidad para sobrevivir en el ambiente e invadir células. Así mismo, los mutantes tienen reducida su virulencia y capacidad de colonizar órganos en un modelo de infección de ratón. Todos los fenotipos del mutante deficiente en los TCSs podían ser restaurados por la expresión ectópica de un único TCS indicando que cada uno de los fenotipos depende de un único TCS. Finalmente, la cepa deficiente en los TCSs ha sido utilizada como una plataforma para el estudio de la especificidad de transmisión de señal in vivo, un concepto que en inglés se denomina ‘cross-talk’ y que hasta ahora había sido estudiada in vitro. Para ello, hemos establecido una sencilla metodología que consiste en la complementación del mutante deficiente en TCSs con una colección de plásmidos que contienen una combinación de la familia de HKs y un RR. El análisis de las cepas complementadas nos ha permitido identificar la existencia de activación cruzada entre GraS y ArlR. Esta activación cruzada tiene lugar incluso en presencia de sus correspondientes parejas, la HK ArlS y el RR GraR. Teniendo en cuenta que durante este análisis global sólo hemos detectado activación cruzada entre estos TCSs, la conclusión de nuestro estudio es que la activación cruzada entre los TCSs puede ocurrir in vivo, pero no es frecuente. En el futuro las cepas deficientes en los TCSs, o cepas derivadas conteniendo únicamente uno de ellos, servirán para identificar el regulón que controla cada TCS o para identificar nuevos fármacos que bloqueen específicamente a los TCSs.
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Regulation of heterogenous lexA expression in staphylococcus aureus by an antisense RNA originating from transcriptional read-through upon natural mispairings in the sbrB intrinsic terminator
(MDPI, 2022) Bastet, Laurène; Bustos-Sanmamed, Pilar; Catalán Moreno, Arancha; Caballero Sánchez, Carlos; Cuesta Ferre, Sergio; Matilla Cuenca, Leticia; Villanueva San Martín, Maite; Valle Turrillas, Jaione; Lasa Uzcudun, Íñigo; Toledo Arana, Alejandro; IdAB. Instituto de Agrobiotecnología / Agrobioteknologiako Institutua
Bacterial genomes are pervasively transcribed, generating a wide variety of antisense RNAs (asRNAs). Many of them originate from transcriptional read-through events (TREs) during the transcription termination process. Previous transcriptome analyses revealed that the lexA gene from Staphylococcus aureus, which encodes the main SOS response regulator, is affected by the presence of an asRNA. Here, we show that the lexA antisense RNA (lexA-asRNA) is generated by a TRE on the intrinsic terminator (TTsbrB) of the sbrB gene, which is located downstream of lexA, in the opposite strand. Transcriptional read-through occurs by a natural mutation that destabilizes the TTsbrB structure and modifies the efficiency of the intrinsic terminator. Restoring the mispairing mutation in the hairpin of TTsbrB prevented lexA-asRNA transcription. The level of lexA-asRNA directly correlated with cellular stress since the expressions of sbrB and lexA-asRNA depend on the stress transcription factor SigB. Comparative analyses revealed strain-specific nucleotide polymorphisms within TTsbrB, suggesting that this TT could be prone to accumulating natural mutations. A genome-wide analysis of TREs suggested that mispairings in TT hairpins might provide wider transcriptional connections with downstream genes and, ultimately, transcriptomic variability among S. aureus strains.
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Sensory deprivation in Staphylococcus aureus
(Springer Nature, 2018) Villanueva San Martín, Maite; García Martínez, Begoña; Valle Turrillas, Jaione; Rapún Araiz, Beatriz; Ruiz de los Mozos Aliaga, Igor; Solano Goñi, Cristina; Martí, Miguel; Penadés, José R.; Toledo Arana, Alejandro; Lasa Uzcudun, Íñigo; IdAB. Instituto de Agrobiotecnología / Agrobioteknologiako Institutua
Bacteria use two-component systems (TCSs) to sense and respond to environmental changes. The core genome of the major human pathogen Staphylococcus aureus encodes 16 TCSs, one of which (WalRK) is essential. Here we show that S. aureus can be deprived of its complete sensorial TCS network and still survive under growth arrest conditions similarly to wild-type bacteria. Under replicating conditions, however, the WalRK system is necessary and sufficient to maintain bacterial growth, indicating that sensing through TCSs is mostly dispensable for living under constant environmental conditions. Characterization of S. aureus derivatives containing individual TCSs reveals that each TCS appears to be autonomous and self-sufficient to sense and respond to specific environmental cues, although some level of cross-regulation between non-cognate sensor-response regulator pairs occurs in vivo. This organization, if confirmed in other bacterial species, may provide a general evolutionarily mechanism for flexible bacterial adaptation to life in new niches.