Un piccolo RNA di Pseudomonas aeruginosa regola l'infezione cronica e acuta

Natura volume 618, pagine 358–364 (2023) Citare questo articolo

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La capacità di passare da uno stile di vita all'altro consente ai batteri patogeni di prosperare in diverse nicchie ecologiche1,2. Tuttavia, manca una comprensione molecolare dei cambiamenti del loro stile di vita all’interno dell’ospite umano. Qui, esaminando direttamente l’espressione genica batterica in campioni di derivazione umana, scopriamo un gene che orchestra la transizione tra infezione cronica e acuta nel patogeno opportunista Pseudomonas aeruginosa. Il livello di espressione di questo gene, qui denominato sicX, è il più alto tra i geni di P. aeruginosa espressi nelle ferite umane croniche e nelle infezioni da fibrosi cistica, ma è espresso a livelli estremamente bassi durante la crescita standard di laboratorio. Mostriamo che sicX codifica un piccolo RNA che è fortemente indotto da condizioni di basso ossigeno e regola post-trascrizionalmente la biosintesi anaerobica dell'ubichinone. L'eliminazione di sicX provoca il passaggio di P. aeruginosa da uno stile di vita cronico a uno stile di vita acuto in diversi modelli di infezione nei mammiferi. In particolare, sicX è anche un biomarcatore di questa transizione da cronica ad acuta, poiché è il gene maggiormente sottoregolato quando un’infezione cronica viene dispersa per causare setticemia acuta. Questo lavoro risolve una questione vecchia di decenni riguardante le basi molecolari alla base del passaggio da cronico ad acuto in P. aeruginosa e suggerisce l’ossigeno come fattore ambientale primario della letalità acuta.

Molti batteri patogeni possono colonizzare i loro ospiti e persistere cronicamente. In alcuni casi, i batteri si diffondono dai siti iniziali dell’infezione ad altre parti del corpo, provocando malattie sistemiche acute. Una questione centrale in biologia è comprendere i meccanismi molecolari e i segnali ambientali che controllano questo cambiamento di stile di vita. Il patogeno umano opportunista P. aeruginosa può causare infezioni sia acute che croniche notoriamente difficili da trattare. P. aeruginosa esiste come singole cellule (stile di vita planctonico) o aggregati racchiusi in matrice (stile di vita del biofilm), che si ritiene favoriscano rispettivamente le infezioni acute e croniche. Pertanto, gli studi di laboratorio si sono tradizionalmente concentrati sull'indagine della transizione biofilm-planctonico di P. aeruginosa in vitro, con l'obiettivo di comprendere i cambiamenti nello stile di vita di questo patogeno negli esseri umani. Decenni di lavoro hanno dimostrato come i sistemi di regolamentazione globale come il secondo messaggero ciclico di-GMP3,4,5 e il sistema Gac-Rsm2,6,7,8,9,10,11,12 controllano la transizione biofilm-planctonico di P aeruginosa in vitro, fornendo approfondimenti critici sulla storia della vita di questo batterio. Tuttavia, finora, è rimasto sfuggente il modo in cui P. aeruginosa risponde ai segnali ambientali e di conseguenza cambia gli stili di vita infettivi all’interno del mammifero ospite. In questo studio, abbiamo colmato questa lacuna nella conoscenza sfruttando i trascrittomi di P. aeruginosa acquisiti da campioni di derivazione umana per scoprire e caratterizzare meccanicamente un nuovo piccolo RNA, chiamato sRNA induttore dell'infezione cronica X (SicX), che governa la malattia cronica di P. aeruginosa. o decisione acuta durante l'infezione dei mammiferi.

In precedenza abbiamo ottenuto trascrittomi di P. aeruginosa ad alta risoluzione da campioni di infezione umana, inclusi campioni di espettorato di pazienti con fibrosi cistica e campioni di sbrigliamento di pazienti con ferite croniche13,14. Utilizzando metodi di apprendimento automatico, abbiamo identificato 30 geni di P. aeruginosa i cui livelli di espressione differenziano collettivamente la crescita di P. aeruginosa negli esseri umani da quella in laboratorio13. Più della metà di questi geni non sono caratterizzati, evidenziando una sostanziale lacuna nella conoscenza della biologia dell’infezione umana da P. aeruginosa. Incluso in questi geni di funzione sconosciuta è PA1414 (locus tag nel ceppo di P. aeruginosa PAO1), il cui livello di espressione negli esseri umani era 222 volte superiore a quello in laboratorio, e il suo livello di espressione è il più alto tra i geni di P. aeruginosa espressi durante l'infezione umana (Fig. 1a). Successivamente abbiamo confrontato l'abbondanza relativa (trascrizioni per milione (TPM)) delle trascrizioni PA1414 con quelle di altre trascrizioni codificanti proteine ​​(5.893 geni) e non codificanti (199 sRNA) 15 (Fig. 1b). In media, le trascrizioni PA1414 rappresentavano il 13,85% del TPM nei trascrittomi di P. aeruginosa acquisiti da campioni di infezioni croniche umane e, in particolare, in alcuni casi costituivano quasi il 50% del TPM totale. Tuttavia, il livello di espressione di PA1414 era estremamente basso in P. aeruginosa coltivata in condizioni standard in vitro. PA1414 è un piccolo gene (lungo 234 paia di basi) dalla funzione sconosciuta. L'esame di 261 genomi completi di P. aeruginosa ha identificato 258 ortologi PA1414 (Fig. 1c e Dati estesi Fig. 1) e nessun omologo è stato identificato in altre specie di Pseudomonas o altri organismi. Le sequenze di DNA degli ortologi PA1414, comprese le loro regioni promotrici a monte, sono altamente conservate (Fig. 1d), suggerendo che PA1414 ha una funzione conservata e la regolazione della sua espressione è universale tra gli isolati di P. aeruginosa.