The FASEB JournalVolume 23, Issue 10 p. 3393-3404 Research CommunicationFree to Read Genetic requirements for Staphylococcus aureus abscess formation and persistence in host tissues Retraction(s) for this article Erratum Volume 24Issue 2The FASEB Journal pages: 648-648 First Published online: February 1, 2010 Alice G. Cheng, Alice G. Cheng Department of Microbiology, University of Chicago, Chicago, Illinois, USASearch for more papers by this authorHwan Keun Kim, Hwan Keun Kim Department of Microbiology, University of Chicago, Chicago, Illinois, USASearch for more papers by this authorMonica L. Burts, Monica L. Burts Department of Microbiology, University of Chicago, Chicago, Illinois, USASearch for more papers by this authorThomas Krausz, Thomas Krausz Department of Pathology, University of Chicago, Chicago, Illinois, USASearch for more papers by this authorOlaf Schneewind, Corresponding Author Olaf Schneewind [email protected] Department of Microbiology, University of Chicago, Chicago, Illinois, USA Department of Pathology, University of Chicago, Chicago, Illinois, USACorrespondence: Department of Microbiology, University of Chicago, 920 East 58th St., Chicago, IL 60637, USA. E-mail: [email protected]Search for more papers by this authorDominique M. Missiakas, Dominique M. Missiakas Department of Microbiology, University of Chicago, Chicago, Illinois, USASearch for more papers by this author Alice G. Cheng, Alice G. Cheng Department of Microbiology, University of Chicago, Chicago, Illinois, USASearch for more papers by this authorHwan Keun Kim, Hwan Keun Kim Department of Microbiology, University of Chicago, Chicago, Illinois, USASearch for more papers by this authorMonica L. Burts, Monica L. Burts Department of Microbiology, University of Chicago, Chicago, Illinois, USASearch for more papers by this authorThomas Krausz, Thomas Krausz Department of Pathology, University of Chicago, Chicago, Illinois, USASearch for more papers by this authorOlaf Schneewind, Corresponding Author Olaf Schneewind [email protected] Department of Microbiology, University of Chicago, Chicago, Illinois, USA Department of Pathology, University of Chicago, Chicago, Illinois, USACorrespondence: Department of Microbiology, University of Chicago, 920 East 58th St., Chicago, IL 60637, USA. E-mail: [email protected]Search for more papers by this authorDominique M. Missiakas, Dominique M. Missiakas Department of Microbiology, University of Chicago, Chicago, Illinois, USASearch for more papers by this author First published: 12 June 2009 https://doi.org/10.1096/fj.09-135467Citations: 34Read the full textAboutPDF ToolsRequest permissionExport citationAdd to favoritesTrack citation ShareShare Give accessShare full text accessShare full-text accessPlease review our Terms and Conditions of Use and check box below to share full-text version of article.I have read and accept the Wiley Online Library Terms and Conditions of UseShareable LinkUse the link below to share a full-text version of this article with your friends and colleagues. Learn more.Copy URL ABSTRACT Staphylococcus aureus infections are associated with abscess formation and bacterial persistence; however, the genes that enable this lifestyle are not known. We show here that following intravenous infection of mice, S. aureus disseminates rapidly into organ tissues and elicits abscess lesions that develop over weeks but cannot be cleared by the host. Staphylococci grow as communities at the center of abscess lesions and are enclosed by pseudocapsules, separating the pathogen from immune cells. By testing insertional variants in genes for cell wall-anchored surface proteins, we are able to infer the stage at which these molecules function. Fibrinogen-binding proteins ClfA and ClfB are required during the early phase of staphylococcal dissemination. The heme scavenging factors IsdA and IsdB, as well as SdrD and protein A, are necessary for abscess formation. Envelope-associated proteins, Emp and Eap, are either required for abscess formation or contribute to persistence. Fluorescence microscopy revealed Eap deposition within the pseudocapsule, whereas Emp was localized within staphylococcal abscess communities. Antibodies directed against envelope-associated proteins generated vaccine protection against staphylococcal abscess formation. Thus, staphylococci employ envelope proteins at discrete stages of a developmental program that enables abscess formation and bacterial persistence in host tissues.—Cheng, A. G., Kim, H. K., Burts, M. L., Krausz, T., Schneewind, O., Missiakas, D. M. Genetic requirements for Staphylococcus aureus abscess formation and persistence in host tissues. FASEB J. 23, 3393–3404 (2009). www.fasebj.org Citing Literature Volume23, Issue10October 2009Pages 3393-3404 RelatedInformation

ABSTRACT Efforts to model the gut microbiome have yielded important insights into the mechanisms of interspecies interactions, the impact of priority effects on ecosystem dynamics, and the role of diet and nutrient availability in determining community composition. However, the model communities studied to date have been defined or complex but not both, limiting their utility. Here, we construct a defined community of 104 bacterial strains composed of the most common taxa from the human gut microbiota. By propagating this community in growth media missing one amino acid at a time, we show that branched-chain amino acids have an outsize impact on community structure and identify a pathway in Clostridium sporogenes for generating ATP from arginine. We constructed and propagated the complete set of single-strain dropout communities, revealing a sparse network of strain-strain interactions including a novel interaction between C. sporogenes and Lactococcus lactis driven by metabolism. This work forms a foundation for studying strain-strain and strain-nutrient interactions in highly complex defined communities, and it provides a starting point for interrogating the rules of synthetic ecology at the 100+ strain scale.

ABSTRACT Efforts to model the human gut microbiome in mice have led to important insights into the mechanisms of host-microbe interactions. However, the model communities studied to date have been defined or complex but not both, limiting their utility. In accompanying work, we constructed a complex synthetic community (104 strains, hCom1) containing the most common taxa in the human gut microbiome. Here, we used an iterative experimental process to improve hCom1 by filling open metabolic and/or anatomical niches. When we colonized germ-free mice with hCom1 and then challenged it with a human fecal sample, the consortium exhibited surprising stability; 89% of the cells and 58% of the taxa derive from the original community, and the pre- and post-challenge communities share a similar overall structure. We used these data to construct a second version of the community, adding 22 strains that engrafted following fecal challenge and omitting 7 that dropped out (119 strains, hCom2). In gnotobiotic mice, hCom2 exhibited increased stability to fecal challenge and robust colonization resistance against pathogenic Escherichia coli . Mice colonized by hCom2 versus human feces are similar in terms of microbiota-derived metabolites, immune cell profile, and bacterial density in the gut, suggesting that this consortium is a prototype of a model system for the human gut microbiome.

ABSTRACT Certain bacterial strains from the microbiome induce a potent, antigen-specific T cell response 1–5 . However, the specificity of microbiome-induced T cells has not been explored at the strain level across the gut community. Here, we colonize germ-free mice with a complex defined community (97 or 112 bacterial strains) and profile T cell responses to each strain individually. Unexpectedly, the pattern of T cell responses suggests that many T cells in the gut repertoire recognize multiple bacterial strains from the community. We constructed T cell hybridomas from 92 T cell receptor (TCR) clonotypes; by screening every strain in the community against each hybridoma, we find that nearly all of the bacteria-specific TCRs exhibit a one-to-many TCR-to-strain relationship, including 13 abundant TCR clonotypes that are polyspecific for 18 Firmicutes in the community. By screening three pooled bacterial genomic libraries against 13 pooled hybridomas, we discover that they share a single target: a conserved substrate-binding protein (SBP) from an ABC transport system. Treg and Th17 cells specific for an epitope from this protein are abundant in community-colonized and specific-pathogen-free mice. Our work reveals that T cell recognition of Firmicutes is focused on a widely conserved cell-surface antigen, opening the door to new therapeutic strategies in which colonist-specific immune responses are rationally altered or redirected.

ABSTRACT The gut microbiome is complex, raising questions about the role of individual strains in the community. Here, we address this question by focusing on a functional unit within the community, the metabolic niche that controls bile acid 7α-dehydroxylation. By constructing variants of a complex defined community in which we drop out strains that occupy this niche, we explore how interactions within and between niches shape community-level metabolism. Omitting both members of the niche, Clostridium scindens ( Cs ) and Clostridium hylemonae ( Ch ), eliminates secondary bile acid production and reshapes the community in a highly specific manner: eight strains go up or down in relative abundance by >100-fold, while the remaining strains are largely unaffected. In single-strain dropout communities (i.e., a strain swap within the niche), Cs and Ch reach the same relative abundance and dehydroxylate bile acids to a similar extent. However, the effect on strains in other niches differs markedly: Clostridium sporogenes increases >1000-fold in the Δ Cs but not Δ Ch dropout, reshaping the pool of microbiome-derived phenylalanine metabolites. Thus, strains that are functionally redundant within a niche can have widely varying impacts outside the niche, and a strain swap can ripple through the community in an unpredictable manner, resulting in a large impact on an unrelated community-level phenotype. Mice colonized by the Δ Cs Δ Ch community show decreased liver steatosis relative to those colonized by the Δ Ch community, demonstrating that a single strain from the microbiome can have a substantive impact on host physiology. Our work opens the door to the mechanistic studies of the role of an individual strain on community ecology and host physiology.

Abstract Bacteria use invertible genetic elements known as invertons to generate heterogeneity amongst a population and adapt to new and changing environments. In human gut bacteria, invertons are often found near genes associated with cell surface modifications, suggesting key roles in modulating dynamic processes such as surface adhesion and intestinal colonization. However, comprehensive testing of this hypothesis across complex bacterial communities like the human gut microbiome remains challenging. Metagenomic sequencing holds promising for detecting inversions without isolation and culturing, but ambiguity in read alignment limits the accuracy of the result-ing inverton predictions. Here, we developed a customized bioinformatic workflow – PhaseFinderDC – to identify and track invertons in metagenomic data. Applying this method to a defined yet complex gut community (hCom2) across different growth environments over time using both in vitro and in vivo metagenomic samples, we detected invertons in most hCom2 strains. These include invertons whose orientation probabilities change over time and are statistically associated with environmental conditions. We used motif enrichment to identify putative inverton promoters and predict genes regulated by inverton flipping during intestinal colonization and surface adhesion. Analysis of inverton-proximal genes also revealed candidate invertases that may regulate flipping of specific invertons. Collectively, these findings suggest that surface adhesion and intestinal colonization in complex gut communities directly modulate inverton dynamics, offering new insights into the genetic mechanisms underlying these processes.