Bacterial toxin-antitoxin systems: transcriptional cross-activation and characterization of a novel mqsRA system

Abstract

Paljud bakterid kinnituvad pindadele ja moodustavad enda ümber limase kaitsekihi. Sellist kasvuviisi kutsutakse biokileks ja see tagab bakterile parema kaitse kahjulike mõjurite eest nagu näiteks antibiootikumid või peremehe immuunsüsteem. Biokilede tõttu tekivad korduvad infektsioonid, mis on tõsiseks meditsiiniliseks probleemiks. Biokiledes on suurenenud ajutiselt mitte-kasvavate bakterite hulk, kes ei oma eriomaseid mehhanisme antibiootikumide vastu võitlemiseks, kuid kes oma uinunud oleku tõttu ei allu ravile. Neis uinunud rakkudes on tugevalt avaldunud toksiin-antitoksiini (TA) süsteeme kodeerivad geenid. Toksiin on valk, mis takistab mõnda bakteri enda olulist rakulist protsessi. Paljud toksiinid lõikavad mRNA-d, takistades nii valkude sünteesi ja bakterite kasvu. Antitoksiin on valk, mis toksiiniga seondudes võimaldab bakteril jälle kasvada. Seega aktiveerunud toksiinid võivad põhjustada nende uinunud bakterite teket biofilmis. Käesoleva doktoritöö eesmärgiks oli kirjeldada TA süsteemide omavahelist rist-aktiveerimist ja testida, kas soolebakteri Escherichia coli geenid mqsR ja mqsA moodustavad uue TA süsteemi. Uurimustulemustest selgus, et MqsR pidurdab tugevalt bakterite kasvu, samas MqsA pärsib MqsR toksilist mõju ja reguleerib mõlema geeni avaldumist. Seega tõestasime, et MqsRA on uus TA süsteem. Teiseks näitasime, et TA süsteemide vahel esineb rist-aktivatsioon. Täiendavalt selgus, et see rist-aktivatsioon võib olla mõjutatud TA mRNAde lõikamisest, mille tulemusel toodab bakter rohkem toksiine kui antitoksiine. Kokkuvõtteks, töö tulemusel selgitati TA geenide üheaegse avaldumise tagamaid, mis toetavad TA süsteemide seost uinunud bakterite tekkel.Many bacteria attach to surfaces and enclose into slime. This type of growth is called biofilm and it provides better protection for bacteria to fight against harmful factors such as antibiotics and immune system. It has been proposed that most chronic infections are caused by bacteria growing in biofilms, which is a serious medical problem. Biofilm is enriched with temporarily non-dividing bacteria that have no specific antibiotic resistance mechanisms. These bacteria are not killed by the drug due to their dormant state. After the treatment, these cells wake up and start growing again. In these dormant cells, the toxin-antitoxin (TA) system genes are highly expressed. Toxin is a protein that inhibits some important process inside the bacterium. Many toxins cleave mRNA, thus, inhibiting protein synthesis and bacterial growth. Antitoxin is a protein that, by binding to the toxin, allows a cell to grow again. Therefore, activated toxins may result in formation of dormant cells in biofilms. The aim of the current dissertation was to examine the cross-activation between TA systems and to test whether mqsR and mqsA genes encode a new TA system in Eschericha coli. Firstly, we demonstrated that MqsR arrests cell growth and MqsA neutralizes the toxic effect of MqsR. In addition, MqsA regulates expression of the both genes, which is a characteristic for the antitoxins. Hence, we characterized and validated a new MqsRA TA system. Secondly, we proved cross-activation between different TA systems. The results indicate that TA cross-activation may be influenced by TA mRNA cleavage, through which bacteria produce more toxin compared to its antitoxin. In conclusion, this study provides new knowledge about simultaneous expression of TA systems and supports their possible role in dormancy.