Субекти

Резюме

Ентеричните патогени усещат сложната химия в стомашно-чревния тракт, за да се конкурират ефективно с местната микробиота и да установят колонизационна ниша. Тук показваме, че ентерохеморагичен Ешерихия коли и Citrobacter rodentium, нейният заместител в модел на миши инфекция, усеща галактуронова киселина, за да инициира многопластова програма за успешна инфекция при бозайници. Използването на галактуронова киселина като източник на въглерод спомага за първоначалното разширяване на патогена. Основният източник на галактуронова киселина е диетичният пектин, който се превръща в галактуронова киселина от видния член на микробиотата, Bacteroides thetaiotamicron. Това се регулира от транскрипционния фактор ExuR. Галактуроновата киселина обаче също се усеща като сигнал чрез ExuR за модулиране на експресията на гените, кодиращи молекулна спринцовка, известна като секретна система тип III, което води до инфекциозен колит и възпаление. Галактуроновата киселина действа едновременно като хранително вещество и като сигнал, насочващ изящните взаимоотношения между микробиота и патоген в стомашно-чревния тракт. Тази работа подчертава, че различната диетична наличност на захар влияе върху връзката между микробиотата и ентеричните патогени, както и върху резултатите от заболяването.

Опции за достъп

Абонирайте се за Journal

Получете пълен достъп до дневник за 1 година

само 4,60 € на брой

Всички цени са нетни цени.
ДДС ще бъде добавен по-късно при плащане.

Наем или покупка на статия

Получете ограничен или пълен достъп до статии в ReadCube.

Всички цени са нетни цени.

киселина

Наличност на данни

Данните, които подкрепят констатациите от това проучване, са достъпни от съответния автор при поискване. Данните за последователността на РНК могат да бъдат достъпни в Европейския нуклеотиден архив под номер за присъединяване PRJEB30676.

Препратки

Sonnenburg, J. L. et al. Хранене на гликан in vivo от адаптиран към червата бактериален симбионт. Наука 307, 1955–1959 (2005).

Baumler, A. J. & Sperandio, V. Взаимодействия между микробиотата и патогенните бактерии в червата. Природата 535, 85–93 (2016).

Kaper, J. B., Nataro, J. P. & Mobley, H. L. Pathogenic Ешерихия коли. Нат. Rev. Microbiol. 2, 123–140 (2004).

Luperchio, S. A. & Schauer, D. B. Молекулярна патогенеза на Citrobacter rodentium и трансмисивна хиперплазия на дебелото черво на мишките. Микробни инфекции. 3, 333–340 (2001).

Kamada, N. et al. Регулираната вирулентност контролира способността на патогена да се конкурира с чревната микробиота. Наука 336, 1325–1329 (2012).

Slater, S. L., Sagfors, A. M., Pollard, D. J., Ruano-Gallego, D. & Frankel, G. Тип III секретна система на патогенни Ешерихия коли. Curr. Горна част. Микробиол. Имунол. 416, 51–72 (2018).

Jarvis, K. G. et al. Ентеропатогенни Ешерихия коли съдържа предполагаема система за секреция тип III, необходима за износа на протеини, участващи в свързването и премахването на образуването на лезии. Proc. Natl Акад. Sci. САЩ 92, 7996–8000 (1995).

McDaniel, T. K., Jarvis, K. G., Donnenberg, M. S. & Kaper, J. B. Генетичен локус на изтичане на ентероцитите, запазен сред различни ентеробактериални патогени. Proc. Natl Акад. Sci. САЩ 92, 1664–1668 (1995).

Чанг, Д.-Е. и др. Въглеродно хранене на Escherichia coli в червата на мишката. Proc. Natl Акад. Sci. САЩ 101, 7427–7432 (2004).

Fabich, A. J. et al. Сравнение на въглеродното хранене за патогенни и коменсални Ешерихия коли щамове в червата на мишката. Инфектирайте. Имун. 76, 1143–1152 (2008).

Maltby, R., Leatham-Jensen, M. P., Gibson, T., Cohen, P. S. & Conway, T. Хранителна основа за устойчивост на колонизация от човешки коменсал Ешерихия коли щамове HS и Nissle 1917 срещу Е. coli O157: H7 в червата на мишката. PLOS ONE 8, e53957 (2013).

Peekhaus, N. & Conway, T. Какво е за вечеря ?: Метаболизъм на Entner – Doudoroff в Ешерихия коли. J. Bacteriol. 180, 3495–3502 (1998).

Pifer, R., Russell, R. M., Kumar, A., Curtis, M. M. & Sperandio, V. Redox, аминокиселината и метаболизмът на мастните киселини се пресичат с бактериална вирулентност в червата. Proc. Natl Акад. Sci. САЩ 115, E10712 – E10719 (2018).

Robert-Baudouy, J., Portalier, R. & Stoeber, F. Регулиране на гените на хексуронатната система в Ешерихия коли K-12: многократно регулиране на uxu оперон от exuR и uxuR генни продукти. J. Bacteriol. 145, 211–220 (1981).

Blanco, C., Ritzenthaler, P. & Kolb, A. Регулаторният регион на uxuAB оперон в Ешерихия коли K12. Мол. Gen. Genet. 202, 112–119 (1986).

Ritzenthaler, P., Blanco, C. & Mata-Gilsinger, M. Генетичен анализ на uxuR и exuR гени: доказателства за взаимодействията на мономерни репресори ExuR и UxuR. Мол. Gen. Genet. 199, 507–511 (1985).

Родионов, Д. А., Миронов, А. А., Рахманинова, А. Б. и Гелфанд, М. С. Транскрипционно регулиране на системите за транспорт и оползотворяване на хексурониди, хексуронати и хексонати в гама лилави бактерии. Мол. Микробиол. 38, 673–683 (2000).

Суворова, И. А. и др. Сравнителен геномен анализ на гените на метаболизма на хексуронат и тяхното регулиране в гамапротеобактерии. J. Bacteriol. 193, 3956–3963 (2011).

Tutukina, M. N., Potapova, A. V., Cole, J. A. & Ozoline, O. N. Контрол на метаболизма на хексуронат в Ешерихия коли от двата взаимозависими регулатора, ExuR и UxuR: дерепресия чрез образуване на хетеродимер. Микробиология 162, 1220–1231 (2016).

Mellies, J. L., Elliott, S. J., Sperandio, V., Donnenberg, M. S. & Kaper, J. B. The regulon на ентеропатогенните Ешерихия коли: идентифициране на регулаторна каскада и нов транскрипционен активатор, локус на ентероцитен ефацемент (LEE) кодиран регулатор (Ler). Мол. Микробиол. 33, 296–306 (1999).

Sperandio, V., Mellies, J. L., Nguyen, W., Shin, S. & Kaper, J. B. Quorum sensing контролира експресията на транскрипцията на ген секреция от тип III и секрецията на протеин в ентерохеморагични и ентеропатогенни Ешерихия коли. Proc. Natl Акад. Sci. САЩ 96, 15196–15201 (1999).

Njoroge, J. W., Nguyen, Y., Curtis, M. M., Moreira, C. G. & Sperandio, V. Virulence отговаря на метаболизма: Cra и KdpE генна регулация при ентерохеморагични Ешерихия коли. mBio 3, e00280–00212 (2012).

Borenshtein, D., Nambiar, P. R., Groff, E. B., Fox, J. G. & Schauer, D. B. Развитие на фатален колит при FVB мишки, заразени с Citrobacter rodentium. Инфектирайте. Имун. 75, 3271–3281 (2007).

Winter, S. E. et al. Нитратът, получен от домакин, засилва растежа на Е. coli в възпаленото черво. Наука 339, 708–711 (2013).

Carlson-Banning, K. M. & Sperandio, V. Катаболит и регулиране на кислорода на ентерохеморагичните Ешерихия коли вирулентност. mBio 7, e01852–16 (2016).

Mundy, R., MacDonald, T. T., Dougan, G., Frankel, G. & Wiles, S. Citrobacter rodentium на мишки и човек. Клетка. Микробиол. 7, 1697–1706 (2005).

Mohnen, D. Пектинова структура и биосинтез. Curr. Становище. Растителна биол. 11., 266–277 (2008).

Luis, A. S. et al. Диетичните пектинови гликани се разграждат чрез координирани ензимни пътища в дебелото черво на човека Бактероиди. Нат. Микробиол. 3, 210–219 (2018).

Ndeh, D. et al. Комплексният метаболизъм на пектин от чревни бактерии разкрива нови каталитични функции. Природата 544, 65–70 (2017).

Къртис, М. М. и сътр. Коменсалът на червата Bacteroides thetaiotaomicron обостря чревната инфекция чрез модификация на метаболитния пейзаж. Клетъчен домакин Микроб 16., 759–769 (2014).

Umar, S., Morris, A. P., Kourouma, F. & Sellin, J. H. Диетичният пектин и калций инхибират пролиферацията на дебелото черво in vivo чрез различни механизми. Cell Prolif. 36, 361–375 (2003).

Kuss, S. K. et al. Чревната микробиота насърчава репликацията на ентеричен вирус и системната патогенеза. Наука 334, 249–252 (2011).

Sassone-Corsi, M. & Raffatellu, M. Без вакантно място: как полезните микроби си сътрудничат с имунитета, за да осигурят устойчивост на колонизация на патогени. J. Имунол. 194, 4081–4087 (2015).

Cameron, E. A. & Sperandio, V. Frenemies: сигнализиране и хранителна интеграция при взаимодействия патоген-микробиота-гостоприемник. Клетъчен домакин Микроб 18., 275–284 (2015).

Pacheco, A. R. & Sperandio, V. Ентеричните патогени експлоатират генерираната от микробиота хранителна среда на червата. Микробиол. Спектър. 3, MBP-0001-2014 (2014).

Bohnhoff, М., Drake, B. L. & Miller, C. P. Ефект на стрептомицин върху податливостта на чревния тракт към експериментални Салмонела инфекция. Proc. Soc. Опит Biol. Med. 86, 132–137 (1954).

Pacheco, A. R. et al. Сензорът на фукоза регулира бактериалната чревна колонизация. Природата 492, 113–117 (2012).

Knutton, S. et al. Нова свързана с EspA повърхностна органела на ентеропатогенни Ешерихия коли участва в транслокацията на протеини в епителните клетки. EMBO J. 17, 2166–2176 (1998).

Kendall, М. М., Gruber, C. C., Parker, C. T. & Sperandio, V. Етаноламинът контролира експресията на гени, кодиращи компоненти, участващи в сигнализирането на междуведомството и вирулентността при ентерохеморагични Ешерихия коли O157: H7. mBio 3, e00050-12 (2012).

Gonyar, L. A. & Kendall, M. M. Етаноламинът и холинът насърчават експресията на предполагаеми и характеризирани фимбрии в ентерохеморагични Ешерихия коли O157: H7. Инфектирайте. Имун. 82, 193–201 (2014).

Портър, Н. Т., Луис, А. С. и Мартенс, Е. С. Bacteroides thetaiotaomicron. Тенденции Microbiol. 26, 966–967 (2018).

Griffin, P. M. et al. Болести, свързани с Ешерихия коли 0157: H7 инфекции. Широк клиничен спектър. Ан. Стажант. Med. 109, 705–712 (1988).

Barthold, S. W., Coleman, G. L., Bhatt, P. N., Osbaldiston, G. W. & Jonas, A. M. Етиологията на трансмисивната миша хиперплазия на дебелото черво. Лаборатория. Anim. Sci. 26, 889–894 (1976).

Datsenko, K. A. & Wanner, B. L. Едноетапна инактивация на хромозомни гени в Ешерихия коли K-12 с използване на PCR продукти. Proc. Natl Акад. Sci. САЩ 97, 6640–6645 (2000).

Knutton, S., Baldwin, T., Williams, P. H. & McNeish, A. S. Натрупване на актин в местата на бактериална адхезия към клетки на тъканни култури: основа на нов диагностичен тест за ентеропатогенни и ентерохеморагични Ешерихия коли. Инфектирайте. Имун. 57, 1290–1298 (1989).

Благодарности

Това проучване беше подкрепено от Националните здравни институти безвъзмездни средства AI053067, AI05135, AI077613 и AI114511 на V.S. A.G.J. беше подкрепен чрез Национален институт по здравно обучение Grant 5 T32 AI7520.

Информация за автора

Принадлежности

Катедра по микробиология, Югозападен медицински център на Тексаския университет, Далас, Тексас, САЩ

Ангел Г. Хименес, Мелиса Елерман и Ванеса Сперандио

Катедра по биохимия, Югозападен медицински център на Тексаския университет, Далас, Тексас, САЩ

Ангел Г. Хименес, Мелиса Елерман и Ванеса Сперандио

Център за изследвания и развитие на Летбридж, Канада, земеделие и хранително-вкусова промишленост, Летбридж, Алберта, Канада

Катедра по химия и биохимия, Университет в Летбридж, Летбридж, Алберта, Канада

Можете също да търсите този автор в PubMed Google Scholar

Можете също да търсите този автор в PubMed Google Scholar

Можете също да търсите този автор в PubMed Google Scholar

Можете също да търсите този автор в PubMed Google Scholar

Вноски

A.G.J. замисля проучванията, извършва експерименти и анализ на данни и пише статията. М. Е. извърши хистологичен анализ и извърши някои експерименти с мишки. W.A.съветва за експерименти с Bt и разграждане на пектин. СРЕЩУ. ръководи всички експерименти, анализира данните и пише статията.

Автора за кореспонденция

Етични декларации

Конкуриращи се интереси

Авторите не декларират конкуриращи се интереси.

Допълнителна информация

Бележка на издателя Springer Nature остава неутрален по отношение на юрисдикционните претенции в публикувани карти и институционални принадлежности.

Разширени данни

Разширени данни Фиг. 1 ExuR регулира гени, кодиращи ензими, необходими за катаболизма на галактуроновата киселина.

а, Схематично представяне на ExuR репресия на гените за използване на галактуронова киселина. б, qRT-PCR на галактуроновите гени за използване в WT (н = 3) и ΔexuR (н = 3) EHEC (н, брой биологични повторения; резултатите са представителни за два независими експеримента). Средното и P са показани стойности за двустранен статистически анализ на Ман-Уитни. ° С, Състезание EMSA на ExuR, обвързващо с лер промотор при отсъствие и присъствие на лер студена сонда. Резултатите са представителни за два независими експеримента с подобни резултати. д, qRT-PCR на LEE espA ген в EPEC в присъствието на превозно средство (н = 6) или галактуронова киселина (GalA) (н = 6) (н, брой биологични повторения; резултатите са представителни за два независими експеримента). Средното и P са показани стойности за двустранен статистически анализ на Ман-Уитни. Изходни данни

Разширени данни Фиг. 2 UxaC и галактуронова киселина насърчаване на растежа на EHEC.

а, Криви на растеж на WT (н = 2) и ΔuxaC (н = 2) EHEC в минимална среда M9 с 5 mM галактуронова киселина като единствен източник на въглерод (н, брой биологични повторения; резултатите са представителни за един независим експеримент). Средната стойност ± SD и P са показани стойности за двустранен двупосочен ANOVA статистически анализ. б, Криви на растеж на WT (н = 4) и ΔuxaC (н = 4) EHEC в DMEM с ниско съдържание на глюкоза (н, брой биологични повторения; резултатите са представителни за един независим експеримент). Средното и P са показани стойности за двустранен еднопосочен ANOVA статистически анализ. ° С, Растеж на WT EHEC в DMEM с ниско съдържание на глюкоза, допълнен с различни концентрации на галактуронова киселина. Изходни данни

Разширени данни Фиг. 3 ExuR също активира LEE в C. rodentium.

а, Крива на растеж на WT (н = 3) и ΔexuR (н = 3) C. rodentium щамове, отглеждани в DMEM с ниско съдържание на глюкоза при микроаеробни условия (н, брой биологични повторения; резултатите са представителни за един независим експеримент). Показани са средните стойности ± SD за двустранен еднопосочен ANOVA статистически анализ. б, RT-qPCR на кодираните с LEE гени в escC, escV, тир, и espA в WT (н = 9) и ΔexuR (н = 9) C. rodentium (н, брой биологични повторения; резултатите са представителни за три независими експеримента). Средното и P са показани стойности за двустранен двупосочен ANOVA статистически анализ. ° С, Уестърн блот за секретиран EspB в WT и ΔexuR C. rodentium. Представителни петна от три независими експеримента. д, Криви на растеж на C. rodentium с глюкоза (Glu) (н = 3), галактуронова киселина (GalA) (н = 3) или глюкуронова киселина (GlcA) (н = 3) като единствени източници на въглерод (н, брой биологични повторения; резултатите са представителни за три независими експеримента). Показани са средните стойности ± SD за двустранен еднопосочен ANOVA статистически анализ. Изходни данни

Разширени данни Фиг. 4 Галактуронова киселина действа чрез ExuR за намаляване на експресията на гена LEE.

Western блот на супернатантите от EHEC WT, ΔexuR, ΔuxuR и ΔexuRuxuR (ΔΔ), отглеждани в присъствието на глюкоза (Glu), галактуронова киселина (GalA) или глюкуронова киселина (GlcA) в DMEM, изследвана с анти-EspA антисерум. BSA се използва като контрол на натоварването. Представителни петна от три независими експеримента.

Разширени данни Фиг. 5 Мишки, заразени с ΔuxaC C. rodentium имат само леко нарастване на възпалението.

C3H/HeJ мишки при неинфектирани условия, както и на ден след заразяване с WT или ΔexuR, ΔuxaC и ΔexuRΔuxaC мутанти. а, Оцветени с хематоксилин-еозин тъкани на цекални пластири на мишки C3H/HeJ. Представителни изображения от два независими експеримента, мащабни ленти = 100 µm. б, Слепи хистопатологични резултати от незаразени мишки или заразени с WT (н = 4) или ΔexuR (н = 4), ΔuxaC (н = 4) и ΔexuRΔuxaC (н = 4) C. rodentium (н, брой биологични повторения; резултатите са представителни за два независими експеримента). Средното и P стойност за двустранен еднопосочен ANOVA статистически анализ.

Разширени данни Фиг. 6 Пектинът поражда възпаление при мишки C3H/HeJ.

C3H/HeJ мишките бяха третирани с 200 uL 2% пектин или PBS. а, Слепи хистопатологични резултати от незаразени мишки, лекувани с 200µL 2% пектин (н = 4) или PBS (н = 4) (н, брой биологични повторения; резултатите са представителни за два независими експеримента). Средното и P стойност за двустранен еднопосочен ANOVA статистически анализ. b-c, RT-qPCR определя експресията на Nos2 и IL22 гени в цекулната тъкан на мишки, лекувани с 200µL 2% пектин (н = 4) или PBS (н = 4) (н, брой биологични повторения; резултатите са представителни за два независими експеримента). Средното и P са показани стойности за двустранен статистически анализ на Ман-Уитни. GAPDH се използва за нормализиране на генната експресия. Изходни данни