An insertional mutagenesis system that uses transposons carrying unique DNA sequence tags was developed for the isolation of bacterial virulence genes. The tags from a mixed population of bacterial mutants representing the inoculum and bacteria recovered from infected hosts were detected by amplification, radiolabeling, and hybridization analysis. When applied to a murine model of typhoid fever caused by Salmonella typhimurium , mutants with attenuated virulence were revealed by use of tags that were present in the inoculum but not in bacteria recovered from infected mice. This approach resulted in the identification of new virulence genes, some of which are related to, but functionally distinct from, the inv/spa family of S. typhimurium .

Mapping the insertion points of 16 signature-tagged transposon mutants on the Salmonella typhimurium chromosome led to the identification of a 40-kb virulence gene cluster at minute 30.7. This locus is conserved among all other Salmonella species examined but is not present in a variety of other pathogenic bacteria or in Escherichia coli K-12. Nucleotide sequencing of a portion of this locus revealed 11 open reading frames whose predicted proteins encode components of a type III secretion system. To distinguish between this and the type III secretion system encoded by the inv/spa invasion locus known to reside on a pathogenicity island, we refer to the inv/spa locus as Salmonella pathogenicity island (SPI) 1 and the new locus as SPI2. SPI2 has a lower G+C content than that of the remainder of the Salmonella genome and is flanked by genes whose products share greater than 90% identity with those of the E. coli ydhE and pykF genes. Thus SPI2 was probably acquired horizontally by insertion into a region corresponding to that between the ydhE and pykF genes of E. coli. Virulence studies of SPI2 mutants have shown them to be attenuated by at least five orders of magnitude compared with the wild-type strain after oral or intraperitoneal inoculation of mice.

The type III secretion system of Salmonella pathogenicity island 2 (SPI‐2) is required for systemic infection of this pathogen in mice. Cloning and sequencing of a central region of SPI‐2 revealed the presence of genes encoding putative chaperones and effector proteins of the secretion system. The predicted products of the sseB , sseC and sseD genes display weak but significant similarity to amino acid sequences of EspA, EspD and EspB, which are secreted by the type III secretion system encoded by the locus of enterocyte effacement of enteropathogenic Escherichia coli . The transcriptional activity of an sseA :: luc fusion gene was shown to be dependent on ssrA , which is required for the expression of genes encoding components of the secretion system apparatus. Strains carrying non‐polar mutations in sseA , sseB or sseC were severely attenuated in virulence, strains carrying mutations in sseF or sseG were weakly attenuated, and a strain with a mutation in sseE had no detectable virulence defect. These phenotypes were reflected in the ability of mutant strains to grow within a variety of macrophage cell types: strains carrying mutations in sseA , sseB or sseC failed to accumulate, whereas the growth rates of strains carrying mutations in sseE , sseF or sseG were only modestly reduced. These data suggest that, in vivo , one of the functions of the SPI‐2 secretion system is to enable intracellular bacterial proliferation.

Cell proliferation is necessary for proviral integration and productive infection of most retroviruses. Nevertheless, the human immunodeficiency virus (HIV) can infect non-dividing macrophages. This ability to grow in non-dividing cells is not specific to macrophages because, as we show here, CD4+ HeLa cells arrested at stage G2 of the cell cycle can be infected by HIV-1. Proliferation is necessary for these same cells to be infected by a murine retrovirus, MuLV. HIV-1 integrates into the arrested cell DNA and produces viral RNA and protein in a pattern similar to that in normal cells. In addition, our data suggest that the ability to infect non-dividing cells is due to one of the HIV-1 core virion proteins. HIV infection of non-dividing cells distinguishes lentiviruses from other retroviruses and is likely to be important in the natural history of HIV infection.

Dendritic cells (DC) play a key role in linking innate and adaptive immunity. In inflamed tissues, where DC become activated, oxygen tensions are usually low. Although hypoxia is increasingly recognized as an important determinant of cellular functions, the consequences of hypoxia and the role of one of the key players in hypoxic gene regulation, the transcription factor hypoxia inducible factor 1alpha (HIF-1alpha), are largely unknown. Thus, we investigated the effects of hypoxia and HIF-1alpha on murine DC activation and function in the presence or absence of an exogenous inflammatory stimulus. Hypoxia alone did not activate murine DC, but hypoxia combined with LPS led to marked increases in expression of costimulatory molecules, proinflammatory cytokine synthesis, and induction of allogeneic lymphocyte proliferation compared with LPS alone. This DC activation was accompanied by accumulation of HIF-1alpha protein levels, induction of glycolytic HIF target genes, and enhanced glycolytic activity. Using RNA interference techniques, knockdown of HIF-1alpha significantly reduced glucose use in DC, inhibited maturation, and led to an impaired capability to stimulate allogeneic T cells. Alltogether, our data indicate that HIF-1alpha and hypoxia play a crucial role for DC activation in inflammatory states, which is highly dependent on glycolysis even in the presence of oxygen.

Abstract Salmonella typhimurium can colonize the gut, invade intestinal tissues, and cause enterocolitis. In vitro studies suggest different mechanisms leading to mucosal inflammation, including 1) direct modulation of proinflammatory signaling by bacterial type III effector proteins and 2) disruption or penetration of the intestinal epithelium so that penetrating bacteria or bacterial products can trigger innate immunity (i.e., TLR signaling). We studied these mechanisms in vivo using streptomycin-pretreated wild-type and knockout mice including MyD88−/− animals lacking an adaptor molecule required for signaling via most TLRs. The Salmonella SPI-1 and the SPI-2 type III secretion systems (TTSS) contributed to inflammation. Mutants that retain only a functional SPI-1 (M556; sseD::aphT) or a SPI-2 TTSS (SB161; ΔinvG) caused attenuated colitis, which reflected distinct aspects of the colitis caused by wild-type S. typhimurium: M556 caused diffuse cecal inflammation that did not require MyD88 signaling. In contrast, SB161 induced focal mucosal inflammation requiring MyD88. M556 but not SB161 was found in intestinal epithelial cells. In the lamina propria, M556 and SB161 appeared to reside in different leukocyte cell populations as indicated by differential CD11c staining. Only the SPI-2-dependent inflammatory pathway required aroA-dependent intracellular growth. Thus, S. typhimurium can use two independent mechanisms to elicit colitis in vivo: SPI-1-dependent and MyD88-independent signaling to epithelial cells and SPI-2-dependent intracellular proliferation in the lamina propria triggering MyD88-dependent innate immune responses.

Abstract Salmonella enterica serovar Typhimurium (STM) is an invasive, facultative intracellular pathogen that resides in a specialized membrane-bound compartment termed Salmonella -containing vacuole (SCV). Essential for survival and proliferation in the SCV is Salmonella pathogenicity island II (SPI2) that encodes a type III secretion system (T3SS). The SPI2-T3SS and the effector translocation maintain SCV integrity and formation of specific tubular membrane compartments, called Salmonella -induced filaments (SIFs). The SCV/SIF continuum allows STM to bypass nutritional restriction in the intracellular environment by acquiring nutrients from the host cell. Phosphate is one of the most abundant elements in living organisms and in STM, inorganic phosphate (P i ) homeostasis is mediated by the two-component regulatory system PhoBR, resulting in expression of the high affinity phosphate transporter pstSCAB-phoU. Using fluorescent protein reporters, we investigate P i availability for STM at single cell level over time within the intracellular habitats of different host cells. We observed that the pstSCAB-phoU encoded phosphate uptake system is essential for intracellular replication of STM because there is a P i ion concentration less 10 μM within the SCV. Additionally, the demand and consumption of P i correlates with intracellular proliferation of STM and we identify a dependency of SPI2 activity and P i starvation.

Abstract Intracellular bacteria such as Salmonella enterica are confronted with a broad array of defense mechanisms of their mammalian host cells. The ability to sense host cell-imposed damages, and to mount efficient stress responses are crucial for survival and proliferation of intracellular pathogens. The various combinations of host defense mechanisms acting on intracellular bacteria and their individual response also explain the occurrence of distinct subpopulations of intracellular S. enterica such as dormant or persisting, slowly or rapidly replicating cells. Here we describe a set of fluorescence protein (FP)-based reporter strains that were used to monitor the expression of cytoplasmic or periplasmic stress response systems on a single cell level. This is mediated by a fast maturing FP as reporter for induction of stress response genes. We evaluated slower maturing FPs for a second function, i.e. the analyses of the status of intracellular proliferation of pathogens. The combination of two FPs allows, on a single cell level, the interrogation of stress response and intracellular proliferation. Application of these reporters to S. enterica allowed us to detect and quantify distinct intracellular subpopulations with different levels of stress response and proliferation. Importance Sensing of, and responding to host-mediated damages are important defensive virulence traits of bacterial pathogens. Intracellular pathogens such as Salmonella enterica are exposed to various types of antimicrobial host cell defenses that impose, among other, periplasmic and cytosolic stresses. Intracellular S. enterica form distinct subpopulations that differ in proliferation rate, metabolic activity and persister formation. Here we deploy fluorescence protein-based reporter strains to monitor, on a single cell level, the response of intracellular S. enterica to periplasmic or cytoplasmic stress. A second fluorescent protein reports the biosynthetic capacity of individual intracellular S. enterica . The dual fluorescence reporters can be deployed to characterize by flow cytometry phenotypically diverse subpopulations and stress responses in intracellular bacteria.

Abstract Today, we are faced with increasingly occurring bacterial infections that are hard to treat and often tend to relapse. These recurrent infections can occur possibly due to antibiotic-tolerant persister cells. Antibiotic persistent bacteria represent a small part of a bacterial population that enters a non-replicating (NR) state arising from phenotypic switching. Intracellularly, after uptake by phagocytic cells, Salmonella enterica serovar Typhimurium (STM) forms persister cells that are able to subvert immune defenses of the host. However, the clear physiological state and perceptual properties are still poorly understood and many questions remain unanswered. Here we describe further development of fluorescent protein-based reporter plasmids that were used to detect intracellular NR persister cells and monitor the expression of stress response genes via extensive flow cytometric analyses. Moreover, we performed extensive measurements of the metabolic properties of NR STM at the early course of infection. Our studies demonstrate that NR STM persister cells perceive their environment and are capable respond to stress factors. Since persisters showed a lower stress response compared to replicating (R) STM, which was not a consequence of a lower metabolic capacity, the persistent status of STM serves as protective niche. Furthermore, up to 95% of NR STM were metabolically active at the beginning of infection additionally showing no difference in the metabolic capacity compared to R STM. The accessory capability of NR STM persisters to sense and to react to stress with constant metabolic activity may supports the pathogen to create a more permissive environment for recurrent infections.

Abstract Despite being clonal, bacterial pathogens show a remarkable physiological heterogeneity during infection of host and within host cells. This diversity is reflected by distinct ultrastructural morphotypes in transmission electron microscopy (TEM). Gram-negative bacteria visualized at high resolution by TEM show a rather simple composition of cytoplasm with a centrally located nucleoid and large number of ribosomes. The cytoplasm is separated from the external environment by inner and outer membranes. In this study, we show that individual cells of Salmonella enterica serovar Typhimurium (STM) are ultrastructural divergent in standard culture conditions, as well as during their intracellular lifestyle in mammalian host cells. STM can basically be discriminated into two morphotypes based on the criterion of cytoplasmic density. We identified environmental conditions which affect cytoplasmic densities. Using chemical treatments and defined mutant strains, we were able to link the occurrence of an electron-dense type to oxidative stress and other noxes. Furthermore, ultrastructural analyses of STM during infection and fluorescence reporter analyses for cell viability were combined in a correlative light and electron microscopy approach. We provide evidence that two newly characterized ultrastructural types with lucent or dense cytoplasm represent viable cells. Moreover, the presence of electron-dense types is stress related and can be experimentally induced only when amino acids are available in the environment. This study sheds more light on diversities between individual bacteria in populations and possible physiological meanings like a stress response to explain the diversities discussed. Importance Bacterial pathogens show a remarkable resilience to adverse conditions during infection. Although being genetically identical, a clonal population may contain dead, dormant, slowly as well as rapidly proliferating cells. The physiological state of individual cells in a population may be analyzed by fluorescent probes or reporters. In contrast, reliable markers to interrogate single cells regarding viability, response to environmental cues, and exposure to antimicrobial compounds are sparse for ultrastructural approaches. For intracellular Salmonella enterica we observed distinct ultrastructural morphotypes. Using defined experimental conditions, these morphotypes were linked to reactions of bacteria to stressors or antimicrobials. The parameters defined here provide criteria for the interpretation of bacterial heterogeneity on the ultrastructural level.