info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
Characterization of AI-2 mediated Quorum Sensing in Fusobacterium nucleatum
Caracterización del Quorum Sensing mediado por AI-2 en Fusobacterium nucleatum
Registration in:
21110906
Author
Fuentevilla-Morgado, Ignacio Andrés
Institutions
Abstract
The human microbiota is critical for the body and its characteristics in state o
health or disease. These communities are highly organized, embedded in a matrix that
provides protection to organisms within it. Phenotypic regulation systems have been
described, the AI-2 molecule has been recognized as the universal communication
system. This system is able to control different pathogenic phenotypes in organisms
within the community. The best example of bacterial community is dental plaque, within
which Fusobacterium nucleatum is fundamental in the development of periodontal
disease. In addition, it has been linked to gastrointestinal disorders and has been listed
as a key factor in the development of colon cancer. This bacterium is able to invade the
epithelium and spread through the body, infecting organs as the brain, lungs, and cause
pregnancy problems such as low birth weight and premature birth among others.
One of the most important virulence factors of F. nucleatum is the ability to
coaggregate or adheres, either to other bacteria, surface or tissues. In addition, is able
to invade epithelial tissue, either in mouth or colon, and other cell types to spread
across the body. During the passage of this bacterium through the different stages of
the digestive tract, it will interact with established communities that will stimulate
phenotypic adaptation. The aim of this thesis was to determine the relationship between
the product of luxS gene of F. nucleatum and the regulation of the pathogenicity of the
bacterium. Bioinformatics analysis and the functional verification of the luxS gene, which
is in charge of the last enzymatic step of the synthesis of AI-2, were performed. The
biological activity of the luxS gene prediction in the strain F0401 was determinate. The
amount of AI-2 synthetized along the growth curve was quantified, finding a progressive
accumulation as the population density increases until reaching equilibrium. The effect
of glucose a tryptophan on the amount of AI-2 in supernatant was evaluated; no
significant differences were found, discarding a possible self-regulation or internalization
of the AI-2 molecule. Then, response of this bacterium to the AI-2 mediated stimulus
was studied. There were no significant differences in regulation of phenotypes such as
growth regulation, biofilm formation, coaggregation with other oral bacteria, proteolytic
capacity or secreted proteins. However, concentrations of 6 µM were able to induce AI-
2 to either of the most common structures in the surface of the pathogen like LPS,
OMPs or secreted proteins.
Concluding that F. nucleatum has a functional AI-2 mediated communication
system, which is able to induce adhesion and invasion in CACO-2 cells. La microbiota humana es fundamental para el cuerpo en estado de salud o
enfermedad. Estas comunidades son altamente organizadas, embebidas en una matriz
que provee protección a los organismos dentro de ella. Se han descrito sistemas de
regulación fenotípica asociados a la vida en comunidad, la molécula AI-2 ha sido
reconocida como el sistema de comunicación universal. Este sistema es capaz de
controlar diferentes fenotipos patógenos en organismos de la comunidad. El mejor
ejemplo de comunidad bacteriana es la placa dental, dentro de la cual Fusobacterium
nucleatum es fundamental en el desarrollo de la enfermedad periodontal. Además, ha
sido relacionada a desordenes gastrointestinales e incluso ha sido catalogada como un
factor clave dentro del desarrollo de cáncer de colon. Esta bacteria al atravesar la
barrera epitelial es capaz de diseminarse y generar infecciones en órganos como el
cerebro, pulmón y causar problemas de gestación como bajo peso al nacer y parto
prematuro entre otros.
Uno de los factores de virulencia de F. nucleatum más importantes, es la
capacidad de coagregación o adherencia, ya sea a otras bacterias, superficies o
tejidos. Además, es capaz de invadir el tejido epitelial, ya sea en boca o colon, y otros
tipos celulares para diseminarse por el cuerpo. Durante el paso de esta bacteria por las
distintas etapas del tracto digestivo, podrá interactuar con comunidades establecidas
que estimularan una adaptación fenotípica. El objetivo de la tesis fue determinar la
relación entre el producto del gen luxS de F. nucleatum y la regulación de la
patogenicidad de la bacteria. Se realizó un análisis bioinformático y la comprobación
funcional del gen luxS, encargado del último paso enzimático de la síntesis de AI-2. Se
logró determinar la actividad biológica de la predicción del gen luxS propio del genoma
de la cepa F0401. Se cuantificó la cantidad de AI-2 sintetizado a lo largo de la curva de
crecimiento, encontrando una acumulación progresiva conforme aumenta la densidad
poblacional hasta alcanzar un equilibrio. Se evaluó el efecto de glucosa y triptófano
sobre cantidad de AI-2 en sobrenadante, no se encontraron cambios significativos,
descartando una autoregulación negativa de la síntesis o internalización de AI-2.
Posteriormente se estudió la respuesta de la bacteria al estímulo mediado por AI-2. No
se encontraron diferencias significativas en la regulación de fenotipos como la
regulación del crecimiento, la capacidad de formación de biopelículas, coagregación
con otras bacterias orales y capacidad proteolítica de proteínas secretadas. Sin
embargo, se encontró que concentraciones de 6 µM de AI-2 son capaces de inducir la
capacidad de adherencia e invasión a células CACO-2 de F. nucleatum. Pero no se
logró atribuir dicho efecto a alguna de las estructuras superficiales más comunes como
LPS, OMPs ni proteínas secretadas.
Concluyendo que F. nucleatum tiene un sistema de comunicación mediado por
AI-2 funcional, el cual es capaz de inducir la adherencia e invasión en células CACO-2.