Abstract Aim Streptococcus pneumoniae (Spn) acquires genes for macrolide resistance, MEGA or ermB , in the human host. These genes are carried either in the chromosome, or on integrative conjugative elements (ICEs). Here, we investigated molecular determinants of the acquisition of macrolide resistance. Methods and Results Whole genome analysis was conducted for 128 macrolide-resistant pneumococcal isolates to identify the presence of MEGA (44.5%, 57/128) or ermB (100%), and recombination events in Tn 916 -related elements or in the locus comCDE encoding competence genes. Confocal and electron microscopy studies demonstrated that, during the acquisition of macrolide resistance, pneumococcal strains formed clusters of varying size, with the largest aggregates having a median size of ∼1600 µm 2 . Remarkably, these pneumococcal aggregates comprise both encapsulated and nonencapsulated pneumococci, exhibited physical interaction, and spanned extracellular and intracellular compartments. We assessed the recombination frequency (rF) for the acquisition of macrolide resistance by a recipient D39 strain, from pneumococcal strains carrying MEGA (∼5.4 kb) in the chromone, or in large ICEs (>23 kb). Notably, the rF for the acquisition of MEGA, whether in the chromosome or carried on an ICE was similar. However, the rF adjusted to the acquisition of the full-length ICE (∼52 kb), compared to that of the capsule locus (∼23 kb) that is acquired by transformation, was three orders of magnitude higher. Finally, metabolomics studies revealed a link between the acquisition of ICE and the metabolic pathways involving nicotinic acid and sucrose. Conclusions Extracellular and intracellular pneumococcal clusters facilitate the acquisition of full-length ICE at a rF higher than that of typical transformation events, involving distinct metabolic changes that present potential targets for interventions.

Abstract Streptococcus pneumoniae (Spn) causes pneumonia that kills millions through acute toxicity and invasion of the lung parenchyma. During aerobic respiration, Spn releases hydrogen peroxide (Spn-H 2 O 2 ), as a by-product of enzymes SpxB and LctO, and causes cell death with signs of both apoptosis and pyroptosis by oxidizing unknown cell targets. Hemoproteins are molecules essential for life and prone to oxidation by H 2 O 2 . We recently demonstrated that during infection-mimicking conditions, Spn-H 2 O 2 oxidizes the hemoprotein hemoglobin (Hb), releasing toxic heme. In this study, we investigated details of the molecular mechanism(s) by which the oxidation of hemoproteins by Spn-H 2 O 2 causes human lung cell death. Spn strains, but not H 2 O 2 -deficient SpnΔ spxB Δ lctO strains caused time-dependent cell cytotoxicity characterized by the rearrangement of the actin, the loss of the microtubule cytoskeleton and nuclear contraction. Disruption of the cell cytoskeleton correlated with the presence of invasive pneumococci and an increase of intracellular reactive oxygen species. In cell culture, the oxidation of Hb or cytochrome c (Cyt c ) caused DNA degradation and mitochondrial dysfunction from inhibition of complex I-driven respiration, which was cytotoxic to human alveolar cells. Oxidation of hemoproteins resulted in the creation of a radical, which was identified as a protein derived side chain tyrosyl radical by using electron paramagnetic resonance (EPR). Thus, we demonstrate that Spn invades lung cells, releasing H 2 O 2 that oxidizes hemoproteins, including Cyt c , catalyzing the formation of a tyrosyl side chain radical on Hb and causing mitochondrial disruption, that ultimately leads to the collapse of the cell cytoskeleton.

Pneumococcal pneumonia causes cytotoxicity in the lung parenchyma but the underlying mechanism involves multiple factors contributing to cell death. Here, we discovered that hydrogen peroxide produced by Streptococcus pneumoniae (Spn-H 2 O 2 ) plays a pivotal role by oxidizing hemoglobin, leading to its polymerization and subsequent release of labile heme. At physiologically relevant levels, heme selected a population of encapsulated pneumococci. In the absence of capsule and Spn-H 2 O 2 , host intracellular heme exhibited toxicity towards pneumococci, thus acting as an antibacterial mechanism. Further investigation revealed that heme-mediated toxicity required the ABC transporter GlnPQ. In vivo experiments demonstrated that pneumococci release H 2 O 2 to cause cytotoxicity in bronchi and alveoli through the non-proteolytic degradation of intracellular proteins such as actin, tubulin and GAPDH. Overall, our findings uncover a mechanism of lung toxicity mediated by oxidative stress that favor the growth of encapsulated pneumococci suggesting a therapeutic potential by targeting oxidative reactions.Oxidation of hemoglobin by Streptococcus pneumoniae facilitates differentiation to encapsulated pneumococci in vivo Differentiated S. pneumoniae produces capsule and hydrogen peroxide (Spn-H 2 O 2 ) as defense mechanism against host heme-mediated toxicity. Spn-H 2 O 2 -induced lung toxicity causes the oxidation and non-proteolytic degradation of intracellular proteins tubulin, actin, and GAPDH. The ABC transporter GlnPQ is a heme-binding complex that makes Spn susceptible to heme toxicity.

Abstract Streptococcus pneumoniae (Spn) strains cause pneumonia that kills millions every year worldwide. Spn produces Ply, a hemolysin that lyses erythrocytes releasing hemoglobin and also produces the pro-oxidant hydrogen peroxide (Spn-H 2 O 2 ) during growth. The hallmark of the pathophysiology of hemolytic diseases is the oxidation of hemoglobin but oxidative reactions catalyzed by Spn-H 2 O 2 has been poorly studied. We characterized the oxidation of hemoglobin by Spn-H 2 O 2 . We prepared a series of single (Δ spxB , or Δ lctO ), double mutant (Δ spxB Δ lctO ) and complemented strains in TIGR4, D39 and EF3030. We then utilized an in vitro model with oxy-hemoglobin to demonstrate that oxy-hemoglobin was oxidized rapidly, within 30 min of incubation, by Spn-H 2 O 2 to met-hemoglobin and that the main source of Spn-H 2 O 2 was pyruvate oxidase (SpxB). Moreover, extended incubation caused the release and the degradation of heme. We then assessed oxidation of hemoglobin and heme degradation by other bacteria inhabitants of the respiratory tract. All hydrogen peroxide-producing streptococci tested caused the oxidation of hemoglobin and heme degradation whereas those bacterial species that produce <1 μM H 2 O 2 , neither oxidized hemoglobin nor degraded heme. An ex vivo bacteremia model confirmed that oxidation of hemoglobin and heme degradation occurred concurrently with hemoglobin that was released from erythrocytes by Ply. Finally, gene expression studies demonstrated that heme, but not red blood cells or hemoglobin induced an upregulated transcription of the spxB gene. Oxidation of hemoglobin may be important for pathogenesis and for the symbiosis of hydrogen peroxide-producing bacteria with other species by providing nutrients such as iron.

Abstract Streptococcus pneumoniae (Spn) colonizes the nasopharynx of children and the elderly but also kills millions worldwide yearly. The secondary bile acid metabolite, deoxycholic acid (DoC), affects the viability of human pathogens but also plays multiple roles in host physiology. We assessed in vitro the antimicrobial activity of DoC and investigated its potential to eradicate Spn colonization using an ex vivo model of human nasopharyngeal colonization and an in vivo mouse model of colonization. At a physiological concentration DoC (0.5 mg/ml; 1.27 mM) killed all tested Spn strains (N=48) two h post-inoculation. The ex-vivo model of nasopharyngeal colonization showed that DoC eradicated colonization by Spn strains as soon as 10 min post-exposure. The mechanism of action did not involve activation of autolysis since the autolysis-defective double mutants Δ lytA Δ lytC and ΔspxBΔlctO were as susceptible to DoC as was the wild-type (WT). Oral streptococcal species (N=20), however, were not susceptible to DoC (0.5 mg/ml). Unlike trimethoprim, whose spontaneous resistance frequency (srF) for TIGR4 or EF3030 was ≥1×10 −9 , no spontaneous resistance was observed with DoC (srF≥1×10 −12 ). Finally, the efficacy of DoC to eradicate Spn colonization was assessed in vivo using a topical route via intranasal (i.n.) administration and as a prophylactic treatment. Mice challenged with Spn EF3030 carried a median of 4.05×10 5 cfu/ml four days post-inoculation compared to 6.67×10 4 cfu/ml for mice treated with DoC. Mice in the prophylactic group had a ∼99% reduction of the pneumococcal density (median, 2.61 ×10 3 cfu/ml). Thus, DoC, an endogenous human bile salt, has therapeutic potential against Spn.