On plasmids : studies of plasmid-host and plasmid-plasmid interactions

Media type: E-Book

Title: On plasmids : studies of plasmid-host and plasmid-plasmid interactions

Contributor: Gama, João Pedro Alves [VerfasserIn]

imprint: [Erscheinungsort nicht ermittelbar]: [Verlag nicht ermittelbar], 2017

Language: English

Identifier:

Origination:

University thesis: Dissertation, 2017

Footnote:

Description: Tese de doutoramento, Biologia (Genética), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2017 ; Plasmids are double-stranded DNA molecules commonly isolated from bacterial populations. They replicate inside their host cells and depend on the replication mechanisms of their hosts. However, plasmids also encode several factors involved in their own replication. Indeed, plasmids can code for various functions that affect their stability in host cells and in bacterial populations. Moreover, some plasmids can be transmitted horizontally (between cells). Conjugation is the main process through which plasmids transfer horizontally. This process requires the contact between plasmid-donor and recipient cells and, is encoded in the plasmid genome. Altogether, these functions determine to which hosts plasmids can be transferred and be stably maintained, that is, the plasmid's host range. One of the objectives of this thesis is to evaluate the impact of each of these functions (replication, stability and mobility) on host range. We show in this thesis that replication is a major function affecting the variation of the host range of plasmids. Plasmids interact with their hosts but also with other plasmids that are present in the same bacterial population or in the same host cell. Here we show that the conjugative efficiency of plasmids depends on such interactions. More specifically, we demonstrate that plasmids tend to increase their conjugative efficiency if a distinct plasmid is present in different cells of the same host population. However, if plasmids are present in the same host cell, the conjugative efficiency of one of the plasmids tends to decrease. This reduction results from the actions of fertility inhibition (FIN) proteins. We also show that distinct FIN mechanisms can complement each other, thus providing stronger inhibition. Expression of the conjugative machinery imposes a metabolic/energetic burden on host bacteria. Moreover, it also alters cell physiology due to the expression of conjugative pili (appendages that promote cellular contact between donor and receptor cells) on the host's surface. Thus, plasmids often repress the expression of their conjugation machinery. Its de-repression occurs only transiently. For this reason, it is hypothesized that simultaneous transfer of multiple plasmids present in the same host is a rare event, because it requires simultaneous de-repression of both plasmids. Here we show that co-transfer of plasmids is more frequent than anticipated by this hypothesis, suggesting that de-repression of both plasmids obey to common stimuli. Furthermore, we measured the fitness (as growth rates) of plasmidcarrying bacteria. Thus, we assessed the fitness cost associated with plasmid carriage. We show that fitness costs are positively co-related with the conjugative efficiency of plasmids. Plasmids exhibiting greater conjugative efficiency impose greater fitness costs on their hosts, that is, reduce their fitness (growth rates). This reveals a trade-off between conjugation and fitness. Moreover, we observed that approximately half (16 out of 33) of plasmid pairs (two co-infecting plasmids) impose greater fitness costs than the sum of the individual cost of each plasmid alone, but only about 1/5 of the plasmid pairs (7/33) impose lower fitness costs than the sum of the individual cost of each plasmid alone. Nevertheless, not all the effects of plasmids on their hosts are negative. For instance, plasmids can carry genes that code for beneficial traits, such as antibiotic-resistance. Moreover, plasmids can also enhance the ability of hosts to form biofilms. We studied this subject and showed that two plasmids affect their hosts ability to form biofilms in a way that is specific for each two-plasmid combination. ; Os plasmídeos são moléculas de DNA de cadeia dupla frequentemente isoladas a partir de populações bacterianas. Os plasmídeos replicam-se no interior das suas células hospedeiras e dependem dos seus mecanismos replicativos. Os plasmídeos podem também codificar vários factores envolvidos neste processo. Os plasmídeos podem codificar funções adicionais que asseguram a sua manutenção e estabilidade nos seus hospedeiros. Alguns plasmídeos podem ser transmitidos horizontalmente (entre células). O principal processo envolvido na transmissão horizontal de plasmídeos é designado por conjugação. Esta transmissão requer contacto celular entre as células dadoras e receptoras de plasmídeos. A maquinaria necessária para a conjugação é codificada no genoma dos plasmídeos. De um modo geral, estas funções definem a amplitude de hospedeiros de um plasmídeo, ou seja, determinam para que células os plasmídeos se podem transferir horizontalmente e em que células se conseguem replicar e manter estavelmente. Um dos objectivos desta tese é avaliar o impacto que cada uma destas funções (replicação, estabilidade e mobilidade) tem na amplitude de hospedeiros dos plasmídeos. Concluímos que a replicação é a função que mais contribui para a amplitude de hospedeiros dos plasmídeos. Os plasmídeos não interagem apenas com os seus hospedeiros, mas também com outros plasmídeos presentes na mesma população bacteriana. Nesta tese foram analisadas interacções entre plasmídeos conjugativos. Demonstrou-se que a eficiência de conjugação dos plasmídeos depende das suas interações com outros plasmídeos. Mais especificamente, a eficiência de conjugação de um plasmídeo tende a aumentar se outro plasmídeo estiver presente na mesma população bacteriana mas habitando em células diferentes. Contrariamente, quando os dois plasmídeos se encontram simultaneamente na mesma célula hospedeira, a eficiência de conjugação de um deles tende a diminuir. Esta redução da eficiência de conjugação é causada por proteínas de inibição de fertilidade (FIN). Demonstramos também que mecanismos de inibição distintos se podem complementar e consequentemente determinar um maior efeito de inibição. A expressão da maquinaria conjugativa impõe custos metabólicos, energéticos e/ou fisiológicos, na célula hospedeira. Devido a estes efeitos negativos, os plasmídeos reprimem geralmente a expressão da sua própriamaquinaria conjugativa, sendo a sua desrepressão apenas transitória. Devido a esta transitoriedade, pensa-se que a transferência simultânea de vários plasmídeos que co-habitam na mesma célula hospedeira constitua um evento raro, pois requer desrepressão simultânea de ambos os plasmídeos. Resultados obtidos nesta tese opõem-se a esta hipótese, sugerindo que a desrepressão de plasmídeos co-infectantes seja activada pelos mesmo estímulos. Nesta tese foi medido o fitness (determinado como a taxa de crescimento) de células bacterianas que contenham plasmídeos. Podendo assim determinarse o custo de fitness que os plasmídeos impõem à célula hospedeira. Demonstra-se que os custos de fitness estão positivamente co-relacionados com a eficiência de conjugação dos plasmídeos. Assim, plasmídeos que exibam maior eficiência de conjugação conferem também maiores custos de fitness às células hospedeiras (reduzindo a sua taxa de crescimento). Estes resultados demonstram um trade-off entre conjugação e fitness. Além disso, combinações de dois plasmídeos tendem a exibir epistasia negativa, isto é, impõem um custo ao hospedeiro que é superior à soma dos seus custos individuais. Nem todos os efeitos causados pelos plasmídeos aos seus hospedeiros são negativos. Por exemplo, vários plasmídeos contêm genes que conferem benefícios aos seus hospedeiros. Além disso, os plasmídeos podem aumentar a habilidade das suas células hospedeiras produzirem biofilmes. Nesta tese demonstra-se que as interacções entre plasmídeos contribuem para a formação de biofilmes. Contudo, o resultado dessas interacções varia consoante a combinação de plasmídeos analisada.

Access State: Open Access

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