Small RNA-associated RNA-binding proteins in \(Fusobacterium\) \(nucleatum\)

Autor: Zhu, Yan
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2024
Předmět:
Druh dokumentu: Doctoral Thesis<br />Doctoral Thesis
DOI: 10.25972/OPUS-37073
Popis: Fusobacterium nucleatum is an emerging cancer-associated bacterium belonging to the Fusobacteriota phylum, which is evolutionary distant from all model bacteria. Recent analysis generated global fusobacterial RNA maps, which enabled the discovery of 24 small noncoding RNAs (sRNAs) in F. nucleatum. Notably, the σE-dependent sRNA FoxI and FoxJ act as a posttranscriptional regulator of several cell envelope proteins. The σE-dependent sRNAs in Escherichia coli and Salmonella require the RNA chaperone Hfq for their functions. Intriguingly, F. nucleatum seems to have no homologs of the three common RNA-binding proteins (RBPs) CsrA, Hfq and ProQ. However, it remains unclear if other families of RBPs act in concert with FoxI, FoxJ and other fusobacterial sRNAs. This work has successfully established a 14-mer capture tagged-sRNA affinity purification procedure initially using 6S RNA as a proof-of-concept. Applying this method to 19 different F. nucleatum sRNAs led to a comprehensive mapping of sRNA-binding proteins in this bacterium. This screen identified a total of 75 proteins significantly enriched across all sRNAs and prominent in ribosomal proteins, uncharacterized proteins and enzymes associated with metabolism. This work further focused on the homologs of two KH domain proteins KhpA and KhpB, which were recently recognized as global RBPs in various Gram-positive bacteria such as Streptococcus pneumoniae, Clostridioides difficile, and Enterococcus faecalis. Comparative analyses revealed conserved domain composition and gene synteny of KhpA and KhpB across F. nucleatum, S. pneumoniae, C. difficle and E. faecalis, indicating conserved roles of these proteins in bacteria. Further protein-protein interaction assays and global RNA targets profiling demonstrated that KhpA and KhpB form dimers and act together as broad RBPs, binding to sRNAs, mRNAs and tRNAs in F. nucleatum. Further functional characterizations unveiled that KhpA/B are required for the growth of F. nucleatum under nutrient limitation conditions and impact cell morphology. Additionally, the two RBPs also influence global gene expression in F. nucleatum affecting various bacterial physiological processes, including ethanolamine utilization. In summary, this work established a sRNA-centric approach for screening sRNA-binding proteins in F. nucleatum. Further, the assay could be applied in other non-model organisms and is feasible to screen multiple sRNA baits in parallel for sRNA-interactors. By applying this procedure to nearly all known fusobacterial sRNAs, this work generated an extensive map of sRNA-interacting proteins in F. nucleatum. Molecular and genetic studies identified that KhpA/B act as major RBPs and gene regulators in F. nucleatum, representing important first steps in elucidating key players of post-transcriptional control at the root of the bacterial phylogenetic tree.
Fusobacterium nucleatum ist ein relevantes krebsassoziiertes Bakterium des Phylums Fusobacteriota, welches sich evolutionär von allen anderen Modellbakterien abgrenzt. In einer kürzlich durchgeführten Analyse wurden fusobakterielle RNAs global kartiert, was die Entdeckung von 24 kleinen nichtkodierenden RNAs (sRNAs) in F. nucleatum ermöglichte. Besonders hervorzuheben ist die σE-abhängige sRNAs FoxI und FoxJ, die als posttranskriptioneller Regulator von mehreren Proteine der Zellhülle fungiert. Die σE-abhängigen sRNAs in Escherichia coli und Salmonella benötigen das RNA-Chaperonprotein Hfq für ihre Funktionen. Interessanterweise scheint F. nucleatum aber keine Homologe der drei verbreiteten RNA-Bindeproteine (RBPs) CsrA, Hfq und ProQ zu besitzen. Es bleibt jedoch unklar, ob andere RBP-Familien mit FoxI, FoxJ und sonstigen fusobakteriellen sRNAs interagieren. Diese Arbeit hat erfolgreich ein 14-mer Capture-Markierung basierendes sRNA Affinitätsreinigungsverfahren etabliert, das zunächst unter Verwendung von 6S RNA erprobt wurde. Die Anwendung dieser Methode auf 19 verschiedene sRNAs in F. nucleatum führte zu einer umfassenden Übersicht von sRNA-bindenden Proteinen in diesem Bakterium. Unter allen sRNAs konnten mit Hilfe dieses Screenings insgesamt 75 signifikant angereicherte Proteine identifiziert werden, so vor allem ribosomale Proteine, uncharakterisierte Proteine und Metabolismus-assoziierte Enzyme. Diese Arbeit konzentrierte sich weiterführend auf die Homologe der zwei KH-Domänenproteine KhpA und KhpB, die kürzlich als globale RBPs in verschiedenen Gram-positiven Bakterien, wie Streptococcus pneumoniae, Clostridioides difficile und Enterococcus faecalis beschrieben wurden. Vergleichende Analysen bewiesen eine konservierte Domänenzusammensetzung und Gensyntenie von KhpA und KhpB in F. nucleatum, S. pneumoniae, C. difficile und E. faecalis, was wiederum auf konservierte Funktionen dieser Proteine in Bakterien hinweist. Weitere Protein-Protein-Interaktionsassays und globale Assays zur Identifizierung der Ziel-RNAs zeigten, dass KhpA und KhpB Dimere bilden und gemeinsam als umfangreiche RBPs wirken, die an sRNAs, mRNAs und tRNAs in F. nucleatum binden. Funktionelle Charakterisierungen der Proteine ergaben, dass KhpA/B für das Wachstum von F. nucleatum unter Nährstoffmangel erforderlich sind und die Zellmorphologie beeinflussen. Zusätzlich spielen die beiden RBPs auch eine Rolle in der globalen Genexpression in F. nucleatum und wirken sich auf verschiedene physiologische Prozesse aus, einschließlich der Ethanolamin-Nutzung. Zusammenfassend etablierte diese Arbeit einen sRNA-orientierten Ansatz zur Untersuchung von sRNA-Bindeproteinen in F. nucleatum. Darüber hinaus kann dieser Ansatz potenziell in anderen Nicht-Modellorganismen angewendet werden und eignet sich um mehrere sRNA-Baits parallel auf deren sRNA-Interaktionspartner zu untersuchen. Durch die Anwendung dieses Verfahrens auf nahezu allen bekannten fusobakteriellen sRNAs wurde eine umfangreiche Kartierung der sRNA-Interaktoren in F. nucleatum generiert. Die hier beschriebenen molekularen und genetischen Studien, in welchen KhpA/B als wichtige RBPs und Genregulatoren von F. nucleatum identifiziert wurden, stellen wichtige erste Schritte bei der Aufklärung der Schlüsselakteure der posttranskriptionellen Kontrolle am Ursprung des bakteriellen Stammbaums dar.
Databáze: Networked Digital Library of Theses & Dissertations
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