Abstract Staphylococcus aureus is a leading cause of both acute and chronic infections in humans. Its ability to persist within host cells is thought to play an important role in chronicity and treatment failures. The importance of the pentose phosphate pathway (PPP) during S. aureus chronic infection is currently largely unexplored. Here, we focused on one key PPP enzyme, transketolase. We showed that inactivation of the unique gene encoding transketolase activity in S. aureus USA300 (Δ tkt ) led to an impaired growth in broth. Using time-lapse video imaging, we correlated this phenotype with a defect in early intracellular proliferation compared to wild-type strain. As determined by metabolomic analysis, tkt inactivation also had an important impact on S. aureus metabolism. We then monitored long-term intracellular persistence over 10 days by counting of viable bacteria. Unexpectedly for such a slow-growing strain, the Δ tkt mutant was almost completely eliminated by endothelial cells after ten days, as opposed to a prototypical slow-growing Δ hemDBL mutant for which we recovered 1,000 fold more viable bacteria. We found that in infected cells, the transcriptional activity of the two master regulators Sigma B and RpiRc was drastically reduced in the Δ tkt mutant compared to wild-type strain. Concomitantly, RNAIII transcription was strongly increased. This transcriptional profile is likely to explain the inability of this slow-growing mutant to sustain long-term intracellular survival, suggesting that TKT -or a functional PPP-is required for intracellular bacteria to enable a transcriptional program geared towards persistence. Importance Staphylococcus aureus is a leading cause of severe bacterial infections. This bacterium is readily internalized by non-professional phagocytes and infected cells have been proposed to play an important role in chronic infections and treatment failures. Here, we show the importance of the unique transketolase TKT of S. aureus USA300 in bacterial adaptation during chronic intracellular infection. We show that TKT is mandatory for the metabolomic homeostasis of S. aureus during intracellular persistence. This work unravels the critical role of TKT in the transcriptional regulation of the master regulators Sigma B, RpiRc and RNAIII linking the pentose phosphate pathway to the control of chronic S. aureus infections.

Abstract Metabolic pathways are now considered as intrinsic virulence attributes of pathogenic bacteria and hence represent potential targets for anti-bacterial strategies. Here, we addressed the role of the pentose phosphate pathway (PPP) and its connections with other metabolic pathways in the pathophysiology of Francisella novicida . The involvement of the PPP in Francisella intracellular life cycle was first demonstrated with the study of PPP inactivation mutants. Indeed, inactivation of tktA, rpiA or rpe genes, severely impaired intramacrophagic multiplication during the first 24 hours. Time-lapse video microscopy demonstrated that rpiA and rpe mutants were able to resume late intracellular bacterial multiplication. To get further insight into the links between the PPP and other metabolic networks of the bacterium, we next performed a thorough proteo-metabolomic analysis of these mutants. We show that the PPP constitutes a major bacterial metabolic hub with multiple connections with glycolysis, tricarboxylic acid cycle and other pathways, such as fatty acid degradation and sulfur metabolism. Hence, our study highlights how the PPP is instrumental to Francisella pathogenesis and growth in its intracellular niche.

Patients suffering from chronic lung diseases are abnormally colonized by many commensal and pathogenic bacterial species among which Staphylococcus aureus is the most commonly identified pathogen (prevalence in the lungs of cystic fibrosis (CF) patients greater than 70%). However, the mechanisms underlying the adaptation of S. aureus to the lung are poorly understood. To get further insights into the molecular mechanisms of S. aureus adaptation to the chronic immunocompromised lung environment, we selected four pairs of sequential S. aureus isolates from 3 patients with CF and a patient with defective IgG antibody production suffering from chronic lung diseases. We used a combination of genomic, proteomic and metabolomic approaches with functional assays for in-depth characterization of S. aureus long-term persistence during chronic lung infection. We demonstrate that chronic infection with S. aureus is related to the accumulation of genetic modifications inducing altered protein expression profiles and notable metabolic changes. These modifications are concordant with both patient-specific adaptation and convergent evolution of S. aureus isolates. We identified several metabolic pathways (e.g., pantothenate and fatty acids) and virulence regulators (encoded by agr and sae loci) that could constitute therapeutic targets. Importantly, we show that long-term S. aureus infection leads to an increased ability to form biofilm and to a prolonged intracellular survival. Importantly, the increased ability to persist intracellularly was confirmed for S. aureus isolates within the own patient epithelial cells. Our results strongly suggest that the intracellular environment might constitute an important niche of persistence and relapse necessitating adapted antibiotic treatments. Moreover, the multi-omics approach described in this study paves the way towards personalized medicine for the chronic infection management.