Abstract Antimicrobial resistance (AMR) develops as a major problem in infectious diseases treatment. While antibiotic resistance mechanisms are usually studied using lethal antibiotic doses, lower doses allowing bacterial growth are now considered as factors influencing the development and selection of resistance. Based on high throughput transposon insertion sequencing (TN-seq) in V. cholerae , we have undertaken the phenotypic characterization of 23 transfer RNA (tRNA) and ribosomal RNA (rRNA) modifications deletion mutants, for which growth is globally not affected in the absence of stress. We uncover a specific involvement of different RNA modification genes in the response to aminoglycosides (tobramycin (TOB), gentamicin (GEN)), fluoroquinolones (ciprofloxacin (CIP)), β-lactams (carbenicillin (CRB)), chloramphenicol (CM) and trimethoprim (TRM). Our results identify t/rRNA modification genes, not previously associated to any antibiotic resistance phenotype, as important factors affecting the bacterial response to sub-MIC antibiotics from different families. This suggests differential translation and codon decoding as critical factors involved in the bacterial response to stress.

Tgt is the enzyme modifying the guanine (G) in tRNAs with GUN anticodon to queuosine (Q). tgt is required for optimal growth of Vibrio cholerae in the presence of sub-lethal aminoglycoside concentrations. We further explored here the role of the Q in the efficiency of codon decoding upon tobramycin exposure. We characterized its impact on the overall bacterial proteome, and elucidated the molecular mechanisms underlying the effects of Q modification in antibiotic translational stress response. Using molecular reporters, we showed that Q impacts the efficiency of decoding at tyrosine TAT and TAC codons. Proteomics analyses revealed that the anti-SoxR factor RsxA is better translated in the absence of tgt. RsxA displays a codon bias towards tyrosine TAT and overabundance of RsxA leads to decreased expression of genes belonging to SoxR oxidative stress regulon. We also identified conditions that regulate tgt expression. We propose that regulation of Q modification in response to environmental cues leads to translational reprogramming of genes bearing a biased tyrosine codon usage. In silico analysis further identified candidate genes possibly subject to such translational regulation, among which DNA repair factors. Such transcripts, fitting the definition of modification tunable transcripts, are plausibly central in the bacterial response to antibiotics.

ABSTRACT Antibiotic resistance has become a major global issue. Understanding the molecular mechanisms underlying microbial adaptation to antibiotics is of keen importance to fight Antimicrobial Resistance (AMR). Aminoglycosides are a class of antibiotics that target the small subunit of the bacterial ribosome, disrupting translational fidelity and increasing the levels of misfolded proteins in the cell. In this work, we investigated the role of VchM, a DNA methyltransferase, in the response of the human pathogen Vibrio cholerae to aminoglycosides. VchM is a V. cholerae specific orphan m5C DNA methyltransferase that generates cytosine methylation at 5′-R C CGGY-3′ motifs. We show that deletion of vchM , although causing a growth defect in absence of stress, allows V. cholerae cells to cope with aminoglycoside stress at both sub-lethal and lethal concentrations of these antibiotics. Through transcriptomic and genetic approaches, we show that groESL-2 (a specific set of chaperonin-encoding genes located on the second chromosome of V. cholerae ), are upregulated in cells lacking vchM and are needed for the tolerance of vchM mutant to lethal aminoglycoside treatment, likely by fighting aminoglycoside-induced misfolded proteins. Interestingly, preventing VchM methylation of the four RCCGGY sites located in groESL-2 region, leads to a higher expression of these genes in WT cells, showing that VchM modulates the expression of these chaperonins in V. cholerae directly through DNA methylation. AUTHOR SUMMARY Bacteria are organisms with a remarkable ability to adapt to several stress conditions, including to the presence of antibiotics. The molecular mechanisms underlying such adaptation lead, very often, to phenomena like antimicrobial tolerance and resistance, responsible for the frequent failure of antibiotic treatment. The study of these molecular mechanisms is thus an important tool to understand development of antimicrobial resistance in bacteria. In this work, we show that abrogating cytosine DNA methylation in Vibrio cholerae increases its tolerance to aminoglycosides, a class of antibiotics that cause protein misfolding. DNA methylation is known to affect gene expression and regulate several cellular processes in bacteria. Here we provide evidence that DNA methylation also has a more direct role in controlling antibiotic susceptibility in bacteria. Consequently, the study of bacterial DNA methyltransferases and DNA methylation should not be overlooked when addressing the problem of antimicrobial tolerance/resistance.

ABSTRACT Integrons are key elements in the rise and spread of multidrug resistance in Gram-negative bacteria. These genetic platforms capture cassettes containing promoterless genes and stockpile them in arrays of variable length. In the current integron model, expression of cassettes is granted by the Pc promoter in the platform and is assumed to decrease as a function of its distance. Here we explored this model using a large collection of 136 antibiotic resistance cassettes and show that the effect of distance is in fact negligible. Instead, cassettes have a strong impact in the expression of downstream genes because their translation rate affects the stability of the whole polycistronic mRNA molecule. Hence, poorly translated cassettes decrease the expression and resistance phenotype of cassettes downstream. Our data puts forward a novel integron model in which expression is contingent on the translation of cassettes upstream, rather than on the distance to the Pc.

Abstract RavA-ViaA were reported to play a role in aminoglycoside sensitivity but the mechanisms remain elusive. Here, we performed competition and survival experiments to confirm that deletion of ravA-viaA increases tolerance of the Gram-negative pathogen Vibrio cholerae to low and high aminoglycoside concentrations, during aerobic growth. Using high throughput strategies in this species, we identify Cpx and Zra2 two-component systems as new partners of RavA-ViaA. We show that the aminoglycoside tolerance of Δravvia requires the presence of these membrane stress sensing two-component systems. We propose that deletion of the RavA-ViaA function facilitates the response aminoglycosides because of a pre-activated state of Cpx and Zra2 membrane stress response systems. We also find an impact of these genes on polymyxin B sensitivity and vancomycin resistance, and we show that simultaneous inactivation of ravvia function together with envelope stress response systems leads to outer membrane permeabilization. Vancomycin is mostly used for Gram-positive because of its low efficiency for crossing the Gram-negative outer membrane. Targeting of the ravA-viaA operon for inactivation could be a future strategy to allow uptake of vancomycin into multidrug resistant Gram-negative bacteria.