Bacteria in the chlamydiales order are obligate intracellular parasites of eukaryotic cells. Within this order, the genus Chlamydia contains the causative agents of a number of clinically important infections of humans. Biovars of C. trachomatis are the causative agents of trachoma, the leading cause of preventable blindness worldwide, as well as sexually transmitted infections with the potential to cause pelvic inflammatory disease and infertility. Irrespective of the resulting disease, all chlamydial species share the same obligate intracellular life cycle and developmental cell forms. They are reliant on an infectious cycle consisting of at least three phenotypically distinct cell forms termed the reticulate body (RB), the intermediate body (IB) and the elementary body (EB). The EB is infectious but does not replicate. The RB replicates in the host cell but is non-infectious, while the IB is an intermediate form that transitions to the EB form. In this study, we ectopically expressed the transcriptional repressor Euo, the two nucleoid-associated proteins HctA and HctB, and the two component sensor kinase CtcB in the RB. Transcriptional analysis using RNA-seq, differential expression clustering and fluorescence in situ hybridization analysis show that the chlamydial developmental cycle is driven by three distinct regulons corresponding to the RB, IB or EB cell forms. Moreover, we show that the genes for the T3SS were cell type restricted, suggesting defined functional roles for the T3SS in specific cell forms.

Abstract Bacteria in the genus Chlamydia are a significant health burden world wide. They infect a wide range of vertebrate animals including humans and domesticated animals. In humans, C. psittaci can cause zoonotic pneumonia while C. pneumoniae causes a variety of respiratory infections. Infections with C. trachomatis cause ocular or genital infections. All chlamydial species are obligate intracellular parasites of eukaryotic cells and are dependent on a complex infection cycle that depends on transitions between specific cell forms. This cycle consists of cell forms specialized for host cell invasion, the Elementary Body (EB), and a form specialized for intracellular replication, the Reticulate Body (RB). In addition to the EB and RB there is a transitionary cell form that mediates the transformation between the RB and the EB, the Intermediate Body (IB). In this study we ectopically expressed the regulatory protein Euo and showed that high levels of expression resulted in reversible arrest of the development cycle. The arrested chlamydial cells were trapped phenotypically at an early IB stage of the cycle. These cells had exited the cell cycle but had not shifted gene expression from RB-like to IB/EB-like. This arrested state was dependent on continued expression of Euo. When ectopic expression was reversed, Euo levels dropped in the arrested cells which led to the repression of native Euo expression and the resumption of the developmental cycle. Our data are consistent with a model where Euo expression levels impact IB maturation to the infectious EB but not the production of the IB form. Importance Bacterial species in the Chlamydiales order infect a variety of vertebrate animals and are a global health concern. They cause various diseases in humans, including genitital and respiratory infections. The bacteria are obligate intracellular parasites that rely on a complex infectious cycle involving multiple cell forms. All species share the same life cycle, transitioning through different states to form the infectious elementary body (EB) to spread infections to new hosts. The Euo gene, encoding a DNA binding protein, is involved in regulating this cycle. This study showed that ectopic expression of Euo halted the cycle at an early stage. This arrest depended on continued Euo expression. When Euo expression was reversed, the developmental cycle resumed. Additionally, this study suggests that high levels of Euo expression affects the formation of the infectious EB, but not the production of the cell form committed to EB formation.