Insights into antibiotic resistance development and pathoadaptation of Pseudomonas aeruginosa using a combined genomic and transcriptomic approach

Media type: E-Book; Thesis

Title: Insights into antibiotic resistance development and pathoadaptation of Pseudomonas aeruginosa using a combined genomic and transcriptomic approach

Contributor: Jeske, Alexander [Author]; Steinert, Michael [Degree supervisor]; Häußler, Susanne [Degree supervisor]

Corporation: Technische Universität Braunschweig

Published: Braunschweig: Technische Universität Braunschweig, 2022

Extent: 1 Online-Ressource (PDF-Datei: 3 MB)

Language: English

DOI: 10.24355/dbbs.084-202201100839-0

Identifier:

Keywords: Hochschulschrift

Origination:

University thesis: Dissertation, Technische Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig, 2021

Footnote: Zusammenfassung in deutscher und englischer Sprache

Description: The discovery of antibiotics revolutionized modern medicine. Their discovery, however, was accompanied by the finding, that bacteria are able to develop mechanisms escaping the treatment with antibiotic compounds. Today, the development of antimicrobial resistance poses one of the most significant threads to public health world-wide. The gram-negative, rod-shaped opportunistic pathogen Pseudomonas aeruginosa is well known for its ability to thrive in numerous environments. This includes soil, water, and nearly every human tissue. It is the cause of severe nosocomial infections in immune compromised individuals such as for example patients suffering from the genetic disorder cystic fibrosis. In the latter, P. aeruginosa often develops life-long chronic infections. P. aeruginosa constantly evolves to adapt to its human habitat causing recurring exacerbations of lung function. Consequently, it is the major cause of morbidity and mortality in these patients P. aeruginosa infected patients receive an extensive antibiotic treatment, that is, however, often resulting in high-level antibiotic resistance in the pathogen. In this thesis, I investigated two major patho-adaptative mechanisms in the context of P. aeruginosa infections: Firstly, the mutational-induced overexpression of the efflux pump MexXY, that is known to transport a variety of antimicrobial classes from the bacterial cytosol into the extra-cytoplasmic space. I discovered a so far undetected dependency of the important resistance factor of aminoglycoside modifying enzymes on the activity of the efflux pump MexXY to reach high-level aminoglycoside resistance. Secondly, I investigated the transcriptional imprint of inactivating mutations in the gene sequence of the global regulator LasR that are regularly found in clinical P. aeruginosa isolates. I hypothesize that the inactivation of this global regulator is not abolishing the expression of certain genes per se but alters their expression dynamics. This shift in the timing of gene expression was dependent on the activity of the global regulator RhlR. I combined state of the art sequencing data with classical microbiological methods in order to gain global insights into the adaptation mechanisms of this important pathogen. ; Die Entdeckung der Antibiotika hat die moderne Medizin revolutioniert. Ihre Entdeckung wurde jedoch von der Erkenntnis begleitet, dass Bakterien in der Lage sind, Mechanismen zu entwickeln, um der Behandlung mit antibiotischen Wirkstoffen entgehen. Heute stellt die Entwicklung der Antibiotikaresistenzen eines der größten Probleme für die öffentliche Gesundheit weltweit dar. Das gramnegative, stäbchenförmige opportunistische Pathogen Pseudomonas aeruginosa ist für seine Fähigkeit bekannt, in zahlreichen Umgebungen, wie z.B. Boden, Wasser und nahezu jedes menschliche Gewebe zu überleben. Es ist die Ursache schwerer nosokomialer Infektionen bei immungeschwächten Personen wie z.B. Patienten mit der Erbkrankheit Mukoviszidose. Hier entwickelt P. aeruginosa oft lebenslange chronische Infektionen, während derer es sich stetig an das menschliche Habitat anpasst. Dies führt zu wiederkehrenden Exazerbationen der Lungenfunktion. Folglich ist es die Hauptursache für Morbidität und Mortalität bei diesen Patienten. P. aeruginosa-infizierte Personen erhalten eine intensive Antibiotikatherapie, die jedoch häufig zu hochgradigen Antibiotikaresistenzen des Erregers führt. In dieser Arbeit habe ich zwei wesentliche patho-adaptive Mechanismen von P. aeruginosa-Infektionen untersucht: Zum einen die mutationsbedingte Überexpression der Effluxpumpe MexXY, die eine Vielzahl von Antibiotika-Klassen aus dem bakteriellen Zytosol in den extrazytoplasmatischen Raum transportieren kann. Dabei identifizierte ich eine bisher unentdeckte Abhängigkeit des wichtigen Resistenzfaktors der Aminoglykosid-modifizierenden Enzyme von der Aktivität der Effluxpumpe MexXY, um hochgradige Aminoglykosidresistenz hervorzurufen. Zum anderen untersuchte ich den transkriptionellen Fußabdruck von inaktivierenden Mutationen in der Gensequenz des globalen Regulators LasR, die regelmäßig in klinischen P. aeruginosa Isolaten detektiert werden. Ich stelle die Hypothese auf, dass die Inaktivierung dieses globalen Regulators nicht die Expression bestimmter Gene per se aufhebt, sondern deren Expressionsdynamik verändert. Diese Verschiebung im Timing der Genexpression war abhängig von der Aktivität des globalen Regulators RhlR. Ich habe dazu modernste DNA- und RNA-Sequenzierungsdaten mit klassischen mikrobiologischen Methoden kombiniert, um umfassende Einblicke in die Anpassungsmechanismen dieses wichtigen Pathogens zu gewinnen.

Access State: Open Access

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