Extensive Cell Envelope Modulation Is Associated with Virulence in Brucella abortus

Abstract

Brucella virulence is linked to components of the cell envelope and tightly connected to the function of the BvrR/BvrS sensory-regulatory system. To quantify the impact of BvrR/BvrS on cell envelope proteins, we performed a label-free mass spectrometry-based proteomic analysis of spontaneously released outer membrane fragments from four strains of Brucella abortus (wild type virulent, avirulent bvrR and bvrS- mutants as well as reconstituted virulent bvrR+ (bvrR-/pbvrR+)). We identified 167 differentially expressed proteins, of which 25 were assigned to the outer membrane. Approximately half of the outer membrane proteins decreased in abundance, whereas half increased. Notably, expression of five Omp3 family proteins decreased whereas five lipoproteins increased in the mutant strains. In the periplasmic space, by contrast, approximately 80% of the 60 differentially expressed proteins were increased in at least one avirulent mutant. Periplasmic proteins are primarily involved in substrate uptake and transport, and a uniform increase in this class may indicate a nutritional stress response, possibly a consequence of defective outer membrane function. Virtually all proteins reverted to wild type levels in the reconstituted virulent bvrR+ strain. We propose that the wide changes in cell envelope protein expression relate to the markedly avirulent phenotype of bvrR- and bvrS- mutants and that Brucella virulence depends on regulatory networks involving cell envelope and metabolism rather than on discrete virulence factors. This model may be relevant to other R-Proteobacteria harboring BvrR/BvrS orthologous systems known to be essential for parasitism or endosymbiosis.

La virulencia de Brucella está vinculada a los componentes de la envoltura celular y estrechamente relacionada con la función del sistema sensorial-regulador BvrR/BvrS. Para cuantificar el impacto de BvrR/BvrS en las proteínas de la envoltura celular, realizamos un análisis proteómico basado en la espectrometría de masas sin etiquetas de fragmentos de membrana externa liberados espontáneamente de cuatro cepas de Brucella abortus (tipo salvaje virulento, mutantes avirulentos bvrR y bvrS-, así como bvrR+ virulento reconstituido (bvrR-/pbvrR+)). Se identificaron 167 proteínas expresadas diferencialmente, de las cuales 25 se asignaron a la membrana externa. Aproximadamente la mitad de las proteínas de la membrana externa disminuyeron su abundancia, mientras que la otra mitad aumentó. En particular, la expresión de cinco proteínas de la familia Omp3 disminuyó mientras que cinco lipoproteínas aumentaron en las cepas mutantes. En el espacio periplásmico, por el contrario, aproximadamente el 80% de las 60 proteínas expresadas de forma diferencial aumentaron en al menos un mutante avirulento. Las proteínas periplásmicas participan principalmente en la captación y el transporte de sustratos, y un aumento uniforme de esta clase puede indicar una respuesta al estrés nutricional, posiblemente una consecuencia de la función defectuosa de la membrana externa. Prácticamente todas las proteínas revirtieron a los niveles de tipo salvaje en la cepa virulenta reconstituida bvrR+. Proponemos que los amplios cambios en la expresión de las proteínas de la envoltura celular están relacionados con el fenotipo marcadamente avirulento de los mutantes bvrR- y bvrS- y que la virulencia de Brucella depende de redes reguladoras que implican a la envoltura celular y al metabolismo, más que de factores de virulencia discretos. Este modelo puede ser relevante para otras proteobacterias R que albergan sistemas ortólogos de BvrR/BvrS que se sabe que son esenciales para el parasitismo o la endosimbiosis.