ROLE OF SigE IN M.TUBERCULOSIS DRUG SUSCEPTIBILITY AND PERSISTENCE

M.tuberculosis (Mtb) is one of the most important pathogens that infect humans and it is the causative agent of tuberculosis (TB), a disease that dates back to ancient times. The World Health Organization (WHO) estimates that more than one third of the total whole population is infected with Mtb and each year about 1,5 millions people die from tuberculosis. Two of the main problems in M. tuberculosis control are the lengthy treatment and the enormous reservoir of latent carriers. A common explanation for the need of lengthy treatment is that all or part of the population enters a non-replicating persistent state characterized by some degree of dormancy. These are called “dormant” or “persistent” cells. This phenomenon, whose physiology is not well known, is very important for the treatment of infections, given the fact that dormant cells are resistant to many drugs. The aim of this study was to find new potential molecular targets that can be used to enhance the effectiveness of traditional antibacterial drugs, in order to develop new therapies effective against this population of non-replicating cells. Sigma factors (σ) regulate gene expression by binding to the RNA polymerase core enzyme and they could be important targets of new therapeutic approaches in the future, as some evidences recently showed they may play an essential role during Mtb persistence. In this work, we focused on one of these sigma factors, SigE, that was previously described to have a role in response to the different types of stresses bacteria encounter during infection, such as heat shock, surface and oxidative stresses (Manganelli et al., 2001). Using a sigE null mutant and through a series of different molecular and phenotypic investigations, we demonstrated how SigE plays a crucial role in response to stresses caused by different classes of antimicrobials. Furthermore, we observed a strong decrease in persister cells production when the sigE mutant was exposed to high concentrations of antibiotics. Finally, we tested other sigma mutants, to investigate if such a feature was shared across sigma factors. Although we demonstrated sigB (which expression is controlled by sigE under stress conditions) involvement in persisters production, the vast majority of the features we described in this work were unique of the SigE sigma factor. To conclude, with this work we were able to demonstrate how SigE may be a valid molecular target to develop new effective therapies against M.tuberculosis infections.

M.tuberculosis (Mtb) è uno dei patogeni più importanti che infettano gli essere umani ed è l’agente eziologico della tubercolosi (TB), una malattia che risale a tempi antichi. L’Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS) stima che più di un terzo dell’intera popolazione mondiale sia stata infettata da Mtb e che ogni anno circa 1,5 milioni di persone muoiano di tubercolosi. Due dei principali problemi nel controllo di questa malattia sono l’enorme serbatoio di portatori latenti e la lunghezza del trattamento terapeutico. Una spiegazione condivisa relativamente alla necessità di un trattamento terapeutico prolungato è che la totalità o una parte della popolazione batterica, nel corso di un’infezione, entri in uno stato non replicativo, caratterizzato da un certo grado di “dormienza”. Queste cellule quiescenti sono chiamate “persisters”. Questo fenomeno, la cui fisiologia non è ben nota, è molto importante per il trattamento delle infezione, in considerazione del fatto che le cellule dormienti sono tolleranti ad alte concentrazioni di molti farmaci e perciò non vengono da essi uccise. Lo scopo di questo studio è stato pertanto quello di trovare nuovi potenziali bersagli molecolari che possano essere utilizzati per migliorare l’efficacia dei trattamenti terapeutici tradizionali, al fine di sviluppare nuove terapie efficaci contro questa popolazione di cellule persistenti. I fattori sigma (σ) regolano l’espressione genica legandosi all’apoproteina polimerasica e, in futuro, potrebbero essere importanti bersagli molecolari di nuovi approcci terapeutici, in quanto alcuni recenti studi hanno dimostrato come essi potrebbero avere un ruolo chiave nel fenomeno della persistenza di M.tuberculosis. In questo lavoro ci siamo concentrati su uno di questi fattori sigma in particolare, SigE, che era stato descritto in precedenza nel giocare un ruolo di primaria importanza nella risposta ai diversi tipi di stress che Mtb incontra durante un’infezione, come shock termico, stress di superficie e ossidativo. (Manganelli et al., 2001). Utilizzando un mutante di delezione per sigE e, attraverso una serie di indagini molecolari e fenotipiche, siamo stati in grado di dimostrare come SigE rivesta un ruolo cruciale nella risposta ai diversi tipi di stress causati dall’esposizione a differenti classi di farmaci antibatterici. Inoltre, abbiamo osservato una forte riduzione nella produzione di cellule “persister” quando il mutante sigE è stato esposto ad elevate concentrazioni di farmaci antimicrobici. Infine, per verificare se queste caratteristiche fossero condivise tra i fattori sigma, abbiamo testato altri mutanti per differenti fattori sigma. Nonostante siamo stati in grado di dimostrare che anche sigB (la cui espressione è controllata da sigE in condizioni di stress) sia coinvolto nella produzione di cellule persistenti, tuttavia la maggior parte delle caratteristiche molecolari e fenotipiche che abbiamo descritto in questo lavoro sono attribuibili al solo fattore SigE. Per concludere, con questo lavoro siamo stati in grado di dimostrare come SigE possa essere un valido bersaglio molecolare per lo sviluppo di nuove terapie efficaci contro le infezioni causate da M.tuberculosis.