New ribonucleic acid identified in cholera pathogen

A team led by the microbiologist Prof. Dr. Kai Papenfort from the Friedrich Schiller University Jena discovered the previously unknown, small ribonucleic acid FarS. It significantly regulates the fatty acid metabolism in cholera pathogens (Vibrio cholerae). After the pathogen has entered the human intestine, the fatty acid metabolism of host and bacterium is the key to the cholera disease outbreak. The research team published their results in the scientific journal Proceedings of the National Academy of Sciences (DOI: 10.1073/pnas.1920753117 ).

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According to the World Health Organization, up to four million people worldwide suffer from cholera every year. The trigger is V. cholerae, a bacterial species causing diarrhoea and vomiting. Contaminated water or food are usually sources of this pathogen. Once the bacteria have multiplied in sufficient numbers within the human intestine, they form a biofilm and start developing their pathogenic effect by producing toxins. Severe courses of cholera can be fatal.

The concentration of certain fatty acids in the affected person`s gut determines the extent to which the bacteria can multiply. Hence, the course of the cholera disease depends on it, too. The research team in Jena therefore has investigated how genes of the fatty acid metabolism are regulated in the bacteria. "In order to reproduce, the genetic information of the bacteria have to be translated into proteins," explains Papenfort. "This process, known as gene expression, is regulated by different molecular mechanisms." Here, the protein Hfq plays an important role: it stabilizes small ribonucleic acids (sRNA), which in turn control the translation of genetic information into the proteins.

Previous studies have already shown that Hfq is important for the pathogenicity of V. cholerae. Without Hfq the cholera bacteria do not form a biofilm, for example. However, the underlying mechanism remains unknown yet. "In particular, it was not clear with which RNAs Hfq exactly interacts," said Papenfort. Therefore, the microbiologist and his team analysed all Hfq-bound ribonucleic acids (RNA) in V. cholerae. The researchers identified almost 700 different RNAs, about 25 of which were previously unknown.

"Among these unknown ribonucleic acids, the FarS sRNA caught our attention," said Papenfort. FarS sRNA was particularly common and the researchers carried out further investigations on this newly discovered sRNA. The scientists discovered that FarS affects specific proteins responsible for the decomposition of fatty acids. "Together with other factors, FarS regulates the biosynthesis and depletion of fatty acids in V. cholerae. These are necessary basic information for the further research on molecular mechanisms in the cholera bacterium," Papenfort continues.

With his research on the communication and interaction of V. cholerae, Papenfort strengthens the Cluster of Excellence Balance of the Microverse at the Friedrich Schiller University Jena. The goal of the holistic approach in the Cluster of Excellence is to understand the principles and dynamics of microbial communities and to develop innovative solutions for fighting disease and environmental dysbalance.

Original article

Huber M, Fröhlich KS, Radmer J, Papenfort K (2020) Switching fatty acid metabolism by an RNA-controlled feed forward loop. PNAS 2020 Mar 19:201920753, doi: 10.1073/pnas.1920753117
pubmed

Neue Ribonukleinsäure in Cholera-Erreger identifiziert

Ein Team um den Mikrobiologen Prof. Dr. Kai Papenfort von der Friedrich-Schiller-Universität Jena entdeckte die bislang unbekannte, kleine Ribonukleinsäure FarS, die den Fettsäurestoffwechsel in Choleraerregern (Vibrio cholerae) maßgeblich reguliert. Der Fettsäurestoffwechsel von Wirt und Bakterium ist ein entscheidender Faktor für den Ausbruch der Cholera-Krankheit, nachdem der Erreger in den Darm gelangt ist. Die Ergebnisse veröffentlichte das Forschungsteam im Fachjournal Proceedings of the National Academy of Sciences (DOI: 10.1073/pnas.1920753117).

Laut Weltgesundheitsorganisation erkranken jährlich bis zu vier Millionen Menschen weltweit an Cholera. Auslöser sind die Bakterien V. cholerae, die Durchfall und Erbrechen verursachen. Die Erreger gelangen zumeist über verunreinigtes Wasser oder kontaminierte Nahrung in den Darm des Menschen. Haben sich die Bakterien in ausreichend großer Zahl im Darm vermehrt und einen sogenannten Biofilm gebildet, entfalten sie ihre krankmachende Wirkung, indem sie Giftstoffe produzieren. Schwere Krankheitsverläufe können tödlich enden.

Wie stark sich die Bakterien im Darmtrakt des Betroffenen vermehren können und wie schwer die Cholera-Erkrankung verläuft, hängt unter anderem von der Konzentration bestimmter Fettsäuren ab. Das Jenaer Forschungsteam hat deshalb in der vorgelegten Arbeit untersucht, wie bakterielle Gene, die für den Fettsäurestoffwechsel verantwortlich sind, reguliert werden. „Um sich zu vermehren, muss die genetische Information der Bakterien in Proteine übersetzt werden“, erläutert Papenfort. „Dieser als Genexpression bezeichnete Prozess wird durch verschiedene molekulare Mechanismen reguliert.“ Dabei spielt das Protein Hfq eine wichtige Rolle: Es stabilisiert kleine Ribonukleinsäuren (sRNA), die ihrerseits die Übersetzung der genetischen Information in Proteine steuern.

Dass Hfq für die Pathogenität von V. cholerae wichtig ist, konnten bereits frühere Studien zeigen. Ohne Hfq bilden die Cholerabakterien zum Beispiel keinen Biofilm mehr aus. Der zugrundeliegende Mechanismus war aber bislang nicht bekannt. „Insbesondere war nicht klar, mit welchen RNAs Hfq genau interagiert“, so Papenfort. Deshalb analysierte das Team um den Mikrobiologen sämtliche Hfq-gebundenen Ribonukleinsäuren (RNA) in V. cholerae. Die Forschenden machten dabei beinahe 700 verschiedene RNAs aus, rund 25 davon waren bislang unbekannt.

„Unter diesen unbekannten Ribonukleinsäuren fiel uns die FarS sRNA besonders auf“, sagt Papenfort. Sie kam besonders häufig vor und so führten die Forscher weitere Untersuchungen an dieser neu entdeckten sRNA durch. Dabei stellten sie fest, dass FarS spezielle Eiweiße, die für die Zersetzung von Fettsäuren verantwortlich sind, beeinflusst. „FarS reguliert zusammen mit anderen Faktoren die Biosynthese und den Abbau von Fettsäuren in V. cholerae. Damit haben wir wichtige Grundlagen für die weitere Erforschung molekularer Mechanismen im Cholera-Bakterium geschaffen“, so Papenfort weiter.

Mit seiner Forschung zur Kommunikation und Interaktion von V. cholerae stärkt Papenfort den an der Friedrich-Schiller-Universität Jena angesiedelten Exzellenzcluster Balance of the Microverse. Ziel des ganzheitlichen Ansatzes im Exzellenzcluster ist es, Prinzipien und Dynamiken von mikrobiellen Gemeinschaften zu verstehen und neue Lösungen im Kampf gegen Krankheiten und Ungleichgewichte in der Umwelt zu entwickeln.

Text: Alena Gold & Ute Schönfelder
Photo: Kai Papenfort