Inter-kingdom communication: quorum sensing and quorum

Inter-kingdom communication:
quorum sensing and quorum quenching
in the metaorganism Hydra
Dissertation
Zur Erlangung des Doktorgrades
der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät
der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
vorgelegt von
Cleo I. Pietschke
Kiel, im September 2015
Erster Gutachter:
Prof. Dr. Dr. h. c. Thomas C. G. Bosch
Zweite Gutachter:
Prof. Dr. Thomas Roeder
Tag der mündlichen Prüfung:
02. Dezember 2015
Zum Druck genehmigt:
02. Dezember 2015
Summary
Summary
Every metaorganism consisting of a host and its associated microbes needs to maintain
its homeostasis. Bacteria are controlling their community wide behavior, as virulence and
biofilm formation, by their communication system, called quorum sensing (QS). As a host
is interested in suppressing such processes, the interference with QS systems (quorum
quenching, QQ) could be an instrument for a host to regulate the behavior of its bacteria.
In this thesis, it could be proven that six commensal bacteria of Hydra vulgaris (AEP) and
six bacteria isolated from the Hydra environment are producing N-acyl-homoserinelactones (AHLs), a class of QS signaling molecules. By analyzing the QS system of
Curvibacter sp., the main colonizer of Hydra vulgaris (AEP), it could be shown that it can
detect long-chain 3-hydroxy-HSLs (3OH-HSLs) as well as long-chain 3-oxo-HSLs (3OHSLs) and is able to produce 3OHC12-HSLs. In contrast, a new host mechanism could be
identified, which enables Hydra to modify specifically long-chain 3O-HSLs via an
oxidoreductase activity to the 3OH-HSL counterpart. Consequently, Hydra’s QQ activity
promotes Curvibacter’s 3OH-HSL regulated processes. Transcriptional expression data
revealed that the Curvibacter sp. possess a differential response to 3OHC12-HSLs
compared to 3OC12-HSLs. While genes involved in flagella biosynthesis were
significantly induced by 3OC12-HSLs, the 3OHC12-HSLs promote the expression of a
trans-AT polyketide synthase cluster potentially exhibiting antibacterial or antifungal
activity. Therefore, host QQ represses bacterial motility and promotes the production of
bioactive compounds of its commensal bacteria.
Interestingly, investigating the impact of AHL modification on metaorganism assembly in
vivo revealed, that 3OHC12-HSLs promote, while 3OC12-HSLs repress colonization of
the host by its main colonizer Curvibacter sp. Similar to 3O-HSLs, also flagellin led to a
strong reduction of the bacterial load. These findings indicate that 3O-HSLs induce the
production of flagella in Curvibacter sp., which cause a response in Hydra, finally resulting
in a decreased bacterial community within the metaorganism Hydra. These insights show
for the first time, that a host organism is manipulating bacterial QS signals in vivo and
thereby maintain symbiotic function of its bacterial colonizers, which contribute to the
homeostasis of the metaorganism.
In cooperation with Xiang-Yi Li the interaction between the two main colonizers of Hydra
vulgaris (AEP) was investigated by a biological and a theoretical approach. In a double
culture experiment it could be shown that the two bacteria are interacting with each other
during their growth. Such cooperations are necessary to get an overall understanding of
the complex regulatory network within metaorganisms.
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Jeder Metaorganismus, bestehend aus einem Wirt und seinen assoziierten Mikroben, muss
seine
Homöostase
beispielsweise
die
erhalten.
Bakterien
Regulation
von
kontrollieren
Virulenz
und
ihr
Gemeinschaftsverhalten,
Biofilmbildung,
mittels
wie
ihres
Kommunikationssystems, dem so genannten Quorum sensing (QS). Da ein Wirt daran
interessiert ist solche Prozesse zu unterdrücken, könnte das Eingreifen in QS-Systeme (Quorum
quenching, QQ) eine Möglichkeit darstellen um das Verhalten seiner Bakterien zu regulieren.
In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass sechs commensale Bakterien von Hydra vulgaris
(AEP) und sechs Bakterien, die aus der Umgebung von Hydra isoliert wurden, N-AcylHomoserin-Lactone (AHLs) produzieren, eine Klasse von QS-Signalmolekülen. Durch Analyse
des QS-Systems von Curvibacter sp., der Hauptkolonisierer von Hydra vulgaris (AEP), konnte
gezeigt werden, dass er sowohl langkettige 3-hydroxy-HSLs (3OH-HSLs) als auch langkettige 3oxo-HSLs (3O-HSLs) erkennen kann und in der Lage ist 3OHC12-HSLs zu produzieren. Des
Weiteren, wurde ein neuer Wirtsmechanismus entdeckt, wodurch Hydra in der Lage ist
spezifisch langkettige 3O-HSLs mittels einer Oxidoreduktase-Aktivität zu ihrem 3OH-HSL
Gegenstück zu modifizieren. Folglich fördert Hydras QQ-Aktivität Curvibacters 3OH-HSL
regulierte Prozesse. Transkriptionsdaten ergaben, dass Curvibacter sp. eine unterschiedliche
Reaktion gegenüber 3OHC12-HSLs im Vergleich zu 3OC12-HSLs aufweist. Während Gene, die
an der Flagellenbiosynthese beteiligt sind, durch 3OC12-HSLs signifikant induziert werden,
fördern 3OHC12-HSLs die Expression des trans-AT-Polyketid Clusters, welches potentiell eine
antibakterielle oder antifungale Aktivität aufweist. Somit unterdrück das QQ durch den Wirt die
bakterielle Motilität und fördert die Produktion von bioaktiven Substanzen seiner kommensalen
Bakterien.
Interessanterweise hat die Untersuchung des Einflusses dieser AHL-Modifizierung auf den
Metaorganismus in vivo gezeigt, dass 3OH-HSLs die Kolonisierung durch den Hauptkolonisierer
Curvibacter sp. fördern, während 3O-HSLs inhibierend wirken. Ferner führt die Zugabe von 3OHSLs oder Flagellin zum Metaorganismus Hydra zur starken Reduktion des Bakteriengehalts.
Diese Ergebnisse deuten an, dass 3O-HSLs die Flagellenproduktion von Curvibacter sp.
induzieren, wodurch eine Antwort in Hydra ausgelöst wird, dass schließlich zu einer Reduktion
der bakteriellen Gemeinschaft des Metaorganismus Hydra führt. Diese Erkenntnisse zeigen zum
ersten Mal, dass ein Wirtsorganismus in vivo bakterielle QS-Signale manipuliert und dadurch die
symbiotischen Eigenschaften seiner bakteriellen Kolonisierer erhält, wodurch er zu Homöostase
des Metaorganismus beiträgt.
Zusammenfassung
In
Zusammenarbeit
mit
Xiang-Yi
Li
wurde
die
Interaktion
zwischen
den
beiden
Hauptkolonisieren von Hydra vulgaris (AEP) mittels eines theoretischen und eines biologischen
Ansatzes untersucht. In einem Kulturexperiment mit diesen beiden Bakterien konnte gezeigt
werden, dass Sie während des Wachstums miteinander interagieren. Solch eine Kooperation ist
notwendig um ein allumfassendes Verständnis des komplexen Regulationsnetzwerkes innerhalb
eines Metaorganismus zu erlangen.