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Introducing Shear Stress in the Study of Bacterial Adhesion

During bacterial infections a sequence of interactions occur between the pathogen and its host. Bacterial adhesion to the host cell surface is often the ...

In the pathogenic bacterium Bacillus anthracis, virulence requires induced expression of the anthrax toxin and capsule genes. Elevated CO2/bicarbonate levels, an indicator of the host environment, provide a signal ex vivo to increase expression of virulence factors, but the mechanism underlying induction and its relevance in vivo are unknown. We identified a previously uncharacterized ABC transporter (BAS2714-12) similar to bicarbonate transporters in photosynthetic cyanobacteria, which is essential to the bicarbonate induction of virulence gene expression. Deletion of the genes for the transporter abolished induction of toxin gene expression and strongly decreased the rate of bicarbonate uptake ex vivo, demonstrating that the BAS2714-12 locus encodes a bicarbonate ABC transporter. The bicarbonate transporter deletion strain was avirulent in the A/J mouse model of infection. Carbonic anhydrase inhibitors, which prevent the interconversion of CO2 and bicarbonate, significantly affected toxin expression only in the absence of bicarbonate or the bicarbonate transporter, suggesting that carbonic anhydrase activity is not essential to virulence factor induction and that bicarbonate, and not CO2, is the signal essential for virulence induction. The identification of this novel bicarbonate transporter essential to virulence of B. anthracis may be of relevance to other pathogens, such as Streptococcus pyogenes, Escherichia coli, Borrelia burgdorferi, and Vibrio cholera that regulate virulence factor expression in response to CO2/bicarbonate, and suggests it may be a target for antibacterial intervention.

The bicarbonate transporter is essential for Bacillus anthracis lethality.

In der pathogenen Bakteriums Bacillus Anthracis erfordert Virulenz induzierte Ausdruck der Milzbrand-Toxin und Kapsel-Gene. Erh&ouml;hten CO2-Bikarbonat, ein Indikator f&uuml;r die Hostumgebung bieten ein Signal ex Vivo, Expression von Virulenzfaktoren zu erh&ouml;hen, aber die zugrunde liegenden Mechanismus-Induktion und ihre Relevanz in-vivo sind unbekannt. Wir die zuvor uncharakterisiertes ABC Transporter (BAS2714-12) &auml;hnlich wie Bikarbonat-Transporter in photosynthetisch aktiven Cyanobakterien, die m&uuml;ssen unbedingt die Bikarbonat-Induktion der Genexpression Virulenz identifiziert. L&ouml;schung der Gene f&uuml;r die Transporter abgeschafft Induktion von Toxin-Genexpression und stark sank die Rate der Bikarbonat-Aufnahme ex Vivo, zeigen, dass der BAS2714-12-Locus einen Bicarbonat-ABC-Transporter codiert. Die Bikarbonat-Transporter L&ouml;schung Belastung war avirulent in der A / J-Maus-Modell der Infektion. Carboanhydrase-Hemmer, verhindert die Umwandlung von CO2 und Bicarbonat, erheblich betroffenen Toxin Ausdruck nur in Abwesenheit von Bikarbonat oder die Bikarbonat-Transporter, die darauf hindeutet, dass kohlenstoffhaltige Anhydrase Aktivit&auml;t nicht wesentlich, Virulenz Faktor Induktion Bikarbonat, und dass nicht CO2, das ist das Signal f&uuml;r Virulenz Induktion. Die Ermittlung dieses neuartige Bikarbonat-Transporters wesentlich, Virulenz von B. Anthracis m&ouml;glicherweise von Bedeutung f&uuml;r andere Krankheitserreger, wie Streptococcus Pyogenes, Escherichia coli, Borrelia Burgdorferi und Vibrio Cholera, die Virulenz Faktor Ausdruck als Reaktion auf CO2-Bikarbonat, regulieren und l&auml;sst vermuten, dass es ein Ziel f&uuml;r antibakterielle Intervention sein kann.

Der Bikarbonat-Transporter ist essentiell f&uuml;r Bacillus Anthracis Letalit&auml;t.

Bacterial infections targeting the bloodstream lead to a wide array of devastating diseases such as septic shock and meningitis. To study this crucial type of infection, its specific environment needs to be taken into account, in particular the mechanical forces generated by the blood flow. In a previous study using Neisseria meningitidis as a model, we observed that bacterial microcolonies forming on the endothelial cell surface in the vessel lumen are remarkably resistant to mechanical stress. The present study aims to identify the molecular basis of this resistance. N. meningitidis forms aggregates independently of host cells, yet we demonstrate here that cohesive forces involved in these bacterial aggregates are not sufficient to explain the stability of colonies on cell surfaces. Results imply that host cell attributes enhance microcolony cohesion. Microcolonies on the cell surface induce a cellular response consisting of numerous cellular protrusions similar to filopodia that come in close contact with all the bacteria in the microcolony. Consistent with a role of this cellular response, host cell lipid microdomain disruption simultaneously inhibited this response and rendered microcolonies sensitive to blood flow-generated drag forces. We then identified, by a genetic approach, the type IV pili component PilV as a triggering factor of plasma membrane reorganization, and consistently found that microcolonies formed by a pilV mutant are highly sensitive to shear stress. Our study shows that bacteria manipulate host cell functions to reorganize the host cell surface to form filopodia-like structures that enhance the cohesion of the microcolonies and therefore blood vessel colonization under the harsh conditions of the bloodstream.

Extracellular bacterial pathogen induces host cell surface reorganization to resist shear stress.

Bakterielle Infektionen, die gezielt des Blutkreislauf f&uuml;hren zu einer Vielzahl von verheerenden Krankheiten wie septischer Schock und Meningitis. Um diese entscheidende Art der Infektion zu studieren, muss seine spezifische Umgebung, vor allem die mechanischen Kr&auml;fte, die durch den Blutfluss generiert ber&uuml;cksichtigt werden. In einer fr&uuml;heren Studie mit Neisseria Meningitidis als Modell beobachteten wir, dass bakterielle Microcolonies bilden auf der Oberfl&auml;che der Endothelzellen in das Lumen des Schiffes bemerkenswert widerstandsf&auml;hig gegen&uuml;ber mechanischer Beanspruchung sind. Der vorliegenden Studie zielt darauf ab, die molekulare Basis dieser Resistenz zu identifizieren. N. Meningitidis Formen fasst unabh&auml;ngig von Wirtszellen, aber wir zeigen hier, dass diese bakterielle Aggregate beteiligt verbindenden Kr&auml;fte nicht ausreichen, um die Stabilit&auml;t der Kolonien auf Zelle Oberfl&auml;chen zu erkl&auml;ren sind. Ergebnisse implizieren, dass Host Zelle Attribute Microcolony Zusammenhalt st&auml;rken. Microcolonies auf der Zelloberfl&auml;che induzieren eine zellul&auml;re Antwort bestehend aus zahlreichen zellul&auml;ren Vorspr&uuml;nge &auml;hnlich wie Filopodium, die in engem Kontakt mit alle Bakterien in die Microcolony kommen. In &Uuml;bereinstimmung mit eine Rolle dieser zellul&auml;re Reaktion, Host Zellaufschluss Lipid Microdomain gleichzeitig gehemmt diese Antwort und Microcolonies empfindlich auf Blut flie&szlig;en generierte Widerstandskr&auml;fte gerendert. Wir dann durch einen genetischen Ansatz, die Typ-IV-Pili-Komponente PilV als ausl&ouml;senden Faktor der Plasmamembran Reorganisation, identifiziert und durchweg festgestellt, dass Microcolonies gebildet von einem PilV Mutant sehr empfindlich auf Stress zu scheren. Unsere Studie zeigt, dass Bakterien manipulieren Host-Zelle-Funktionen der Host-Zellenoberfl&auml;che zur Form Filopodium-Strukturen neu zu organisieren, die den Zusammenhalt der Microcolonies und daher Blutgef&auml;&szlig; Kolonisation unter den harten Bedingungen der Blutbahn zu st&auml;rken.

Extrazellul&auml;re bakteriellen Erreger induziert Host Zelle Oberfl&auml;che Reorganisation Schubspannung zu widerstehen.

Retraction: The bicarbonate transporter is essential for Bacillus anthracis lethality.

Retraktion: Der Bikarbonat-Transporter ist essentiell f&uuml;r Bacillus Anthracis Letalit&auml;t.

Following pilus-mediated adhesion to human brain endothelial cells, meningococcus (N. meningitidis), the bacterium causing cerebrospinal meningitis, initiates signaling cascades, which eventually result in the opening of intercellular junctions, allowing meningeal colonization. The signaling receptor activated by the pathogen remained unknown. We report that N. meningitidis specifically stimulates a biased Î²2-adrenoceptor/Î²-arrestin signaling pathway in endothelial cells, which ultimately traps Î²-arrestin-interacting partners, such as the Src tyrosine kinase and junctional proteins, under bacterial colonies. Cytoskeletal reorganization mediated by Î²-arrestin-activated Src stabilizes bacterial adhesion to endothelial cells, whereas Î²-arrestin-dependent delocalization of junctional proteins results in anatomical gaps used by bacteria to penetrate into tissues. Activation of Î²-adrenoceptor endocytosis with specific agonists prevents signaling events downstream of N. meningitidis adhesion and inhibits bacterial crossing of the endothelial barrier. The identification of the mechanism used for hijacking host cell signaling machineries opens perspectives for treatment and prevention of meningococcal infection.

Meningococcus Hijacks a Î²2-adrenoceptor/Î²-Arrestin pathway to cross brain microvasculature endothelium.

Nach Pilus-vermittelte Adh&auml;sion auf menschliche Gehirn endothelial Zellen initiiert Meningokokken (N. Meningitidis), das Bakterium verursacht Liquor Meningitis, Signalisierung Kaskaden, die schlie&szlig;lich die Er&ouml;ffnung des interzellul&auml;ren Verbindungen, so dass meningeale Kolonisation f&uuml;hren. Der Signalisierung Rezeptor aktiviert, indem der Erreger blieb unbekannt. Wir berichten, dass N. Meningitidis speziell eine voreingenommene &beta;2-Adrenozeptor/&beta;-arrestin Signalweges in Endothelzellen, stimuliert die &beta;-arrestin-Interaktion Partnern wie der Tyrosinkinase Src und junktionale Proteine unter Bakterienkolonien letztlich fallen. Zytoskelett Reorganisation von &beta;-arrestin aktivierte Src vermittelt stabilisiert bakterielle Adh&auml;sion auf Endothelzellen, w&auml;hrend &beta;-arrestin-abh&auml;ngigen Verlagerung der junktionale Proteine Ergebnisse in anatomischen L&uuml;cken in Gewebe Eindringen von Bakterien verwendet. Verhindert die Aktivierung der &beta;-Adrenozeptor Endozytose mit spezifischen Agonisten Signalisierung Ereignisse stromabw&auml;rts von N. Meningitidis Adh&auml;sion und hemmt bakterielle &Uuml;berquerung der endotheliale Barriere. Die Identifizierung der Mechanismus f&uuml;r die Entf&uuml;hrung der Wirtszelle Signalisierung Maschinerien er&ouml;ffnet Perspektiven f&uuml;r Behandlung und Prophylaxe von Meningokokken-Infektion verwendet.

Meningokokken-Hijacking eine &beta;2-Adrenozeptor/&beta;-Arrestin Weg Gehirn Microvasculature Endothel zu &uuml;berschreiten.

The Gram-negative bacterium Neisseria meningitidis asymptomatically colonizes the throat of 10 to 30% of the human population, but throat colonization can also act as the port of entry to the blood (septicemia) and then the brain (meningitis). Colonization is mediated by filamentous organelles referred to as type IV pili, which allow the formation of bacterial aggregates associated with host cells. We found that proliferation of N. meningitidis in contact with host cells increased the transcription of a bacterial gene encoding a transferase that adds phosphoglycerol onto type IV pili. This unusual posttranslational modification specifically released type IV pili-dependent contacts between bacteria. In turn, this regulated detachment process allowed propagation of the bacterium to new colonization sites and also migration across the epithelium, a prerequisite for dissemination and invasive disease.

Posttranslational modification of pili upon cell contact triggers N. meningitidis dissemination.

Die Gram-negativen Bakteriums Neisseria Meningitidis asymptomatically kolonisiert die Kehle von 10 bis 30 % der menschlichen Bev&ouml;lkerung kann, Kehle Kolonisation aber auch als der Einreise auf das Blut (Septik&auml;mie) und dann des Gehirns (Meningitis). Kolonisation wird vermittelt von filament&ouml;sen Organellen bezeichnet als Typ IV Pili, die die Bildung von bakteriellen Aggregate zugeordnete Wirtszellen zu erm&ouml;glichen. Wir fanden, dass die Verbreitung von N. Meningitidis Kontakt mit Wirtszellen erh&ouml;ht die Transkription eines bakteriellen Gens Codierung eine Transferase, die Phosphoglycerol auf Art IV Pili hinzuf&uuml;gt. Diese ungew&ouml;hnliche posttranslationale Modifikation ver&ouml;ffentlicht speziell Art IV Pili-abh&auml;ngige Kontakte zwischen Bakterien. Wiederum reguliert diese Losl&ouml;sung-Prozess, die Ausbreitung des Bakteriums zu neuen Kolonialisierung Websites und auch die Migration &uuml;ber das Epithel, eine Voraussetzung f&uuml;r die Verbreitung und invasive Erkrankung erlaubt.

Posttranslationale Modifikation von Pili Zelle Kontakt l&ouml;st N. Meningitidis Verbreitung.

Shear stress levels generated by circulating blood have a strong impact on biological processes taking place in the vasculature. It is therefore important to take them into account when studying infectious agents targeting the endothelium. Here we describe a protocol using disposable laminar-flow chambers and video microcopy to study bacterial infections in an environment that mimics the bloodstream. We initially focused on the interaction of Neisseria meningitidis with human endothelial cells and determined that shear stress is an important factor for the pathogen's initial adhesion and for the formation of micro-colonies. The experimental set-up can be used to investigate other pathogens that interact with the endothelium as well as with other sites where shear stress is present.

A laminar-flow chamber assay for measuring bacterial adhesion under shear stress.

Schubspannung Ebenen von zirkulierenden Blut erzeugt haben starke Auswirkungen auf biologische Prozesse, die in das Gef&auml;&szlig;system. Es ist daher wichtig, sie in Betracht ziehen, wenn Infektionserreger, die gezielt des Endothels zu studieren. Hier beschreiben wir ein Protokoll mit Einweg laminar-Flow-Kammern und video Microcopy, um bakterielle Infektionen in einer Umgebung zu studieren, die den Blutkreislauf nachbildet. Wir zun&auml;chst auf das Zusammenspiel von Neisseria Meningitidis mit menschlichen Endothelzellen und festgestellt hat, dass die Schubspannung ist ein wichtiger Faktor f&uuml;r anf&auml;ngliche Adh&auml;sion der Erreger und die Bildung von Mikro-Kolonien. Der Versuchsaufbau kann verwendet werden, um andere Krankheitserreger zu untersuchen, die Interaktion mit dem Endothel sowie mit anderen Websites, bei denen Schubspannung vorhanden ist.

Article	Year
The bicarbonate transporter is essential for Bacillus anthracis lethality. PLoS pathogens\| PubMed ID: 19023421	2008
Extracellular bacterial pathogen induces host cell surface reorganization to resist shear stress. PLoS pathogens\| PubMed ID: 19247442	2009
Retraction: The bicarbonate transporter is essential for Bacillus anthracis lethality. PLoS pathogens\| PubMed ID: 20305807	2010
Meningococcus Hijacks a Î²2-adrenoceptor/Î²-Arrestin pathway to cross brain microvasculature endothelium. Cell\| PubMed ID: 21183077	2010
Posttranslational modification of pili upon cell contact triggers N. meningitidis dissemination. Science (New York, N.Y.)\| PubMed ID: 21311024	2011
A laminar-flow chamber assay for measuring bacterial adhesion under shear stress. Methods in molecular biology (Clifton, N.J.)\| PubMed ID: 21993647	2012

Magali Soyer

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