An investigation of wild-type P1 prophage induction

Abstract

The spread of antibiotic resistance genes is increasing, and the mechanisms involved need to be established. Connections between the temperate bacteriophage P1 and antibiotic resistance genes have been implied. Therefore, the role phage P1 may possess in the dissemination of antibiotic resistance genes should be investigated. Since the mechanisms for transmission of wild-type bacteriophage P1 are poorly understood, this thesis aims to determine potential conditions that induce the lytic replication cycle. Gene and protein expression of bacteriophage P1 were studied during different bacterial growth phases and temperatures. By quantitative PCR and bottom-up proteomics, the effects of exponential phase, stationary phase, 37°C and 42 °C were determined. In stationary phase at 42 °C, a significant increase in copy number of the c1 repressor gene was detected. The increase may imply derepression of c1. The difference in copy number of the lytic gene pcp was not significant, and no proteins were identified, indicating that no phage particle formation had occurred. A hypothetical protein with an ASCH resembling domain was significantly upregulated. In addition, the study investigated how the conditions affected the Tn21 transposon carried by P1. The copy number of the transposase gene tnpA was higher in stationary phase at the 42°C, compared to 37 °C, indicating that tnpA expression is temperature sensitive. Several antibiotic resistance proteins encoded by Tn21 were identified. One of them was upregulated at both temperatures. In conclusion, stationary phase physiology combined with elevated growth temperature may cause P1 prophage induction. However, in order to achieve lytic growth, additional inducing factors might need to be present. The Tn21 transposon located in the P1 genome might have a higher transposition rate at elevated temperatures. Under the investigated conditions, P1 might contribute to the dissemination of antibiotic resistance genes by being a reservoir for transposons.

Spredningen av antibiotikaresistensgener øker i omfang, og det er derfor et behov for å kartlegge mekanismene som er involvert. Forbindelser mellom den temperate bakteriofagen P1 og antibiotikaresistensgener har blitt antydet. Derfor burde bakteriofag P1 sin mulige rolle i spredningen av antibiotikaresistens undersøkes. Siden forståelsen av mekanismene for overføring av villtype bakteriofag P1 er mangelfull, er målet med denne oppgaven å bestemme mulige betingelser som kan indusere den lytiske replikasjonssyklusen. Bakteriofag P1 sin gen- og proteinekspresjon ble studert under forskjellige bakterielle vekstfaser og temperaturer. Ved hjelp av kvantitativ PCR og proteomanalyse, ble effektene av eksponentiell fase, stasjonærfase, 37°C og 42 °C bestemt. I stasjonærfase ved 42 °C ble det detektert en signifikant økning i kopitall for c1 repressor genet. Økningen kan tyde på derepresjon av c1. Forskjellen i kopitall for det lytiske genet pcp var ikke signifikant, og ingen proteiner var identifisert, noe som tyder på at produksjon av viruspartikler ikke har funnet sted. Et hypotetisk protein med et domene som ligner ASCH-domenet var signifikant oppregulert. I tillegg ble det undersøkt hvordan betingelsene påvirket Tn21 transposonet i P1 bakteriofagen. Kopitallet til transposase-genet tnpA var høyere i stasjonærfase ved 42°C, sammenlignet med 37 °C, noe som indikerer at ekspresjonen av tnpA er temperatursensitiv. Tn21 kodet for flere antibiotikaresistensproteiner som ble identifisert i analysen. En av dem var oppregulert ved begge temperaturer. Den bakterielle fysiologien i stasjonærfase kombinert med forhøyet veksttemperatur kan trolig føre til induksjon av P1 profagen. Imidlertid, for å oppnå lytisk vekst, er det mulig at andre induserende faktorer må være tilstede. Tn21 transposonet i P1 genomet har muligens en høyere transpososjonsrate ved forhøyede temperaturer. Under de undersøkte betingelsene er det mulig at P1 kan bidra til spredningen av antibiotikaresistensgener ved å være et reservoar for transposoner.