Iron-Dependent Regulation of Quorum-Sensing Pathways in Vibrio vulnificus and the Effect of AI-2 Signal on Gut Microbiome
패혈증 비브리오균의 개체 밀도 조절 회로에 대한 철의 영향과 AI-2 가 장내 마이크로바이옴에 미치는 영향
- 주제어 (키워드) Vibrio vulnificus , quorum-sensing , Fur , LuxS , RyhB , gut microbiome , Lactobacillus , lactic acid
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 김건수
- 발행년도 2022
- 학위수여년월 2022. 8
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 생명과학과
- 실제 URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000066838
- UCI I804:11029-000000066838
- 본문언어 영어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권 보호를 받습니다.
초록
패혈증 비브리오균은 정족수 감지 회로 (Quorum-sensing; QS)를 가지고 있다. 현재까지 주로 연구되고 있는 회로는 두 가지이며, 각 회로의 신호 전달물질은 LuxS에 의해 생산되는 AI-2 (autoinducer-2; furanosyl borate diester) 와 cyclo(L-Phenylalanine-L-Proline; cFP)이다. 철은 박테리아의 생존에 필요한 필수 요소 중 하나이며, 다양한 독성 인자의 발현을 조절하는 핵심 요소이기도 하다. 본 연구에서는 철이 앞서 언급된 두 QS 회로의 각 구성요소에 미치는 영향을 생화학적 및 분자적 수준에서 밝혀냈다. 철이 풍부한 환경에서 비브리오균은 Ferric uptake regulator (Fur)를 이용하여 두 QS회로의 구성요소들의 발현을 억제한다. Fur는 철과 결합하여 AI-2 신호 경로에 관련된 small RNA RyhB의 발현을 억제한다. 철이 부족하여 Fur에 의한 억제가 상쇄되면 RyhB는 luxS의 mRNA 5′-UTR (untranslational region)에 부착되어 luxS의 RBS (ribosome binding site)의 노출을 유도하고 그에 따라 LuxS 단백질 생산을 증진시킨다. 이러한 조절 패턴은 AI-2 생성 억제를 유도함으로써 QS 신호의 피드백 조절을 초래한다. 또한Fur는 철과 결합하여 철-Fur 복합체를 형성한 후, 이 복합체를 통하여 cFP 신호 경로에 의해 조절되는 일련의 구성요소를 코딩하는 유전자들인 leuO, vhuαβ, rpoS, katG의 DNA 상단부에 직접 부착되어 이들의 발현을 억제한다. 이와 병행하여, 본 연구는 AI-2가 쥐의 장내 미생물의 구성을 변화시키는 사실에 대해 확인하였다. 비브리오균의 AI-2 유무에 따라 실험쥐 그룹의 비브리오균 비율과 유산균 (Lactobacillus)의 비율이 반대로 나타나는 것이 확인됨으로써, 두 균의 상호작용에 대한 연구를 진행하였다. 유산균은 비브리오균의 성장을 억제하였고, 유산균의 생산물인 젖산 (lactic acid)이 그 억제효과를 나타내는 것을 확인하였다. 반면, 비브리오균은 유산균의 성장을 억제하지는 못했으나, 비브리오균이 생산하는 AI-2 신호는 종간 의사소통 (inter-species communication)을 유도함으로써, 변화된 AI-2 감지 세균들에 의해 장내 마이크로바이옴 구성에 변화를 유도할 수 있음을 예상할 수 있다.
more초록
Vibrio vulnificus is known to harbor quorum-sensing (QS) pathways. Two pathways mediated by AI-2 produced by LuxS and by a diketopiperazine, cyclo-phenylalanine-proline (cFP), respectively, have been intensively studied in this pathogen. Iron is one of the essential elements necessary for the survival of bacteria and also is a key element controlling the expression of various virulence factors. In this study, effect of iron on the expression of components consisting of those two QS pathways was investigated in biochemical and molecular genetic levels. In an iron rich conditions, V. vulnificus uses a Ferric uptake regulator (Fur) to inhibit the expression of the components of the two QS pathways. Fur binds to iron to repress the expression of a small RNA, RyhB, which activates luxS in the post-translation level. In the absence of iron, the repression is relieved and RyhB is expressed to form hybridization with the 5′-untranslational region of luxS mRNA. Thereby, the translation start codon is exposed and the expression of LuxS enhances. This pattern of regulation results in the feedback regulation of quorum-sensing signal through inhibition of AI-2 production. The iron-Fur complex also negatively regulates the transcription of all the genes encoding components known to be involved in the cFP signaling pathway such as leuO, vhuαβ, rpoS, and katG by physically binding onto the cis-acting elements in upstream regions of those genes. In parallel, this study also showed that AI-2 alters the mouse intestinal microbiome. The interaction between the two bacteria, V. vulnificus and Lactobacillus, was studied by confirming that the ratios of two bacteria in the experimental mouse group were reversed depending on the presence or absence of AI-2. Lactobacillus species inhibit the growth of V. vulnificus, and the inhibitory effector molecule produced by Lactobacillus was identified to be lactic acid. On the other hand, V. vulnificus did not inhibit the growth of Lactobacillus. This study can be expected that the AI-2 produced by V. vulnificus can induce changes in gut microbiome composition by altered AI-2 responding bacteria as a universal signal for inter-species communication.
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