ABSTRACT RNases perform indispensable functions in regulating gene expression in many bacterial pathogens by processing and/or degrading RNAs. Despite the pivotal role of RNases in regulating bacterial virulence factors, the functions of RNases have not yet been studied in the major human respiratory pathogen Streptococcus pneumoniae (pneumococcus). Here, we sought to determine the impact of two conserved RNases, the endoribonuclease RNase Y and exoribonuclease polynucleotide phosphorylase (PNPase), on the physiology and virulence of S. pneumoniae serotype 2 strain D39. We report that RNase Y and PNPase are essential for pneumococcal pathogenesis as both deletion mutants showed strong attenuation of virulence in murine models of invasive pneumonia. Genome-wide transcriptomic analysis revealed that nearly 200 mRNA transcripts were significantly up-regulated, whereas the abundance of several pneumococcal sRNAs, including the Ccn ( C iaR C ontrolled N oncoding RNA) sRNAs, were altered in the Δ rny mutant relative to the wild-type strain. Additionally, lack of RNase Y resulted in pleiotropic phenotypes that included defects in pneumococcal cell morphology and growth in vitro . In contrast, Δ pnp mutants showed no growth defect in vitro , but differentially expressed a total of 40 transcripts including the tryptophan biosynthesis operon genes and numerous 5’-cis-acting regulatory RNAs, a majority of which were previously shown to impact pneumococcal disease progression in mice using the serotype 4 strain TIGR4. Altogether our data suggest that RNase Y exerts a global impact on pneumococcal physiology, while PNPase-mediates virulence phenotypes, likely through sRNA regulation. IMPORTANCE Streptococcus pneumoniae is a notorious human pathogen that adapts to conditions in distinct host tissues and responds to host cell interactions by adjusting gene expression. Ribonucleases (RNases) are key players that modulate gene expression by mediating the turnover of regulatory and protein-coding transcripts. Here, we characterized two highly conserved RNases, RNase Y and PNPase, and evaluated their impact on the S . pneumoniae transcriptome for the first time. We show that PNPase influences the levels of a narrow set of mRNAs, but a large number of regulatory RNAs primarily implicated in virulence control, whereas RNase Y has a more sweeping effect on gene expression, altering levels of transcripts involved in diverse cellular processes including cell division, metabolism, stress response, and virulence. This study further reveals that RNase Y regulates expression of genes governing competence by mediating the turnover of C iaR- c ontrolled- n oncoding (Ccn) sRNAs.

Zinc is a vital transition metal for Streptococcus pneumoniae, but is deadly at high concentrations. Zn intoxication of S. pneumoniae results from a deficiency in Mn, which is required for key metabolic enzymes and defense against oxidative stress. Here, we report our identification and characterization of the function of the five homologous, CiaRH-regulated Ccn sRNAs in controlling S. pneumoniae virulence and metal homeostasis. We show that deletion of all five ccn genes (ccnA, ccnB, ccnC, ccnD, and ccnE) from S. pneumoniae strains D39 (serotype 2) and TIGR4 (serotype 4) causes Zn hypersensitivity and an attenuation of virulence in a murine invasive pneumonia model. We provide evidence that addition of Zn disproportionately impairs Mn uptake by the ΔccnABCDE mutants. Consistent with a response to Mn starvation, expression of genes encoding the CzcD Zn exporter and the Mn-independent ribonucleotide reductase, NrdD-NrdG, were increased in the ΔccnABCDE mutant relative to its isogenic ccn+ parent strain. The growth inhibition by Zn that occurs as the result of loss of the ccn genes is rescued by supplementation with Mn or OxyraseTM, a reagent that removes dissolved oxygen. Lastly, we found that the Zn-dependent growth inhibition of the ΔccnABCDE strain was not altered by deletion of sodA, whereas the ccn+ ΔsodA strain phenocopied the ΔccnABCDE strain. Overall, our results indicate that the Ccn sRNAs have a crucial role in preventing oxidative stress in S. pneumoniae during exposure to excess Zn by modulating Mn uptake.

Abstract Efficient horizontal gene transfer of the conjugative plasmid pCF10 from Enterococcus faecalis depends on the sex pheromone cCF10, which induces the expression of the Type 4 Secretion System (T4SS) genes controlled by the P Q promoter. The pheromone responsive P Q promoter is strictly regulated to prevent overproduction of the prgQ operon, which contains the T4SS, and to limit the cell toxicity caused by overproduction of PrgB, a T4SS adhesin involved in cellular aggregation. PrgU plays an important role in regulating this toxicity by decreasing PrgB production. PrgU has an RNA-binding fold, prompting us to test whether PrgU exerts its regulatory control through binding of prgQ transcripts. With a combination of lacZ reporter fusion, northern blot, and RNAseq analyses, we provide evidence that PrgU binds a specific RNA sequence within the intergenic region (IGR), ca 400 bp downstream of the P Q promoter. PrgU-IGR binding reduces levels of downstream transcripts, with the strongest decrease seen for prgB messages. Consistent with these findings, we determined that pCF10-carrying cells expressing prgU decreased transcript levels more rapidly than isogenic cells deleted of prgU . Finally, purified PrgU bound RNA in vitro , but without sequence specificity, suggesting that PrgU requires a specific RNA structure or one or more host factors to bind its RNA target in vivo . Together, our results support a working model where PrgU binding to the IGR serves to recruit RNase(s) for targeted degradation of downstream transcripts. Importance Bacteria utilize Type 4 Secretion Systems (T4SS) to efficiently transfer DNA from donor to recipient cells, thereby spreading genes encoding for antibiotic resistance as well as various virulence factors. The conjugative plasmid pCF10 from Enterococcus faecalis , originally isolated from clinical isolates, serves as a model system for these processes in Gram-positive bacteria. It is very important to strictly regulate the expression of the T4SS proteins for the bacteria, as some of these proteins are highly toxic to the cell. Here, we identify the mechanism by which PrgU performs its delicate fine tuning of the expression levels. As prgU genes are present in various conjugative plasmids and transposons, this provides an important new insight into the bacterial repertoire of regulation mechanisms of these clinically important systems.