Fusobacterium nucleatumの硫化水素生合成の遺伝子決定因子は、菌の体力、抗生物質感受性、病原性に必須である

Genetic Determinants of Hydrogen Sulfide Biosynthesis in Fusobacterium nucleatum Are Required for Bacterial Fitness, Antibiotic Sensitivity, and Virulence.

抄録

グラム陰性嫌気性細菌Fusobacterium nucleatumは、口臭の原因となる揮発性硫黄化合物である硫化水素（HS）の主要産生菌であり、硫化水素の生合成に必要な遺伝子は、Fusobacterium nucleatumの遺伝子が決定している。我々は、この重要な口腔内細菌群の一員であるFusobacterium nucleatumについて、HS産生の遺伝的決定因子と細菌の体力および病原性におけるその役割について解明した。F. nucleatumは、CysK1、CysK2、Hly、MegLの4つの酵素を持ち、これらの酵素はl-システインをHSに代謝すると推定される。CysK1は、酵素活性とログ中期における遺伝子発現の相関から、HS生産の大部分を占めることが以前に示されている。我々の分子生物学的研究により、CysK1とCysK2はHSの高生産と同時に指数関数的成長期後期に高発現し、他の遺伝子の発現レベルはすべての成長期で大幅に低下することが示された。CysK1触媒産物であるランチオニンを補充せずに遺伝子欠損させると細胞死を起こすが、条件付きΔ変異体および欠損変異体はHS生産能が非常に高かった。一方、欠損変異体では、HSの生産が激減し、わずかな欠損を示した。興味深いことに、これらの変異体を様々な抗生物質に暴露したところ、変異体のみが親株と比較して感受性を変化させた：ナリジクス酸に対する部分感受性とカナマイシンに対する耐性である。最も重要なことは、早産モデルマウスにおいて、この変異株の病原性が減弱していることであり、羊水への拡散、胎盤や胎児へのコロニー形成にかなりの欠陥があることが判明した。明らかに、l-メチオニンγリアーゼMegLは、フソバクテリア細胞の主要なHS産生酵素であり、フソバクテリアの病原性や抗生物質感受性に大きく寄与していることが明らかになった。 Fusobacterium nucleatumは、ヒト口腔内の重要な常在嫌気性細菌で、口腔内バイオフィルムの形成に重要な役割を果たすとともに、早産や大腸がんの促進など、口腔外部位におけるさらなる病態に寄与している。F. nucleatumは硫化水素（HS）の主要産生菌として知られているが、その遺伝的決定因子や生理的機能は十分に解明されていない。我々は、細菌遺伝学、生化学的手法、感染モデルを組み合わせることにより、L-メチオニンγリアーゼMegLがF. nucleatumの主要なHS産生酵素であるだけでなく、この菌の抗生物質感受性と病原性に大きく寄与していることを明らかにした。

The Gram-negative anaerobe Fusobacterium nucleatum is a major producer of hydrogen sulfide (HS), a volatile sulfur compound that causes halitosis. Here, we dissected the genetic determinants of HS production and its role in bacterial fitness and virulence in this important member of the oral microbiome. F. nucleatum possesses four enzymes, CysK1, CysK2, Hly, and MegL, that presumably metabolize l-cysteine to HS, and CysK1 was previously shown to account for most HS production , based on correlations of enzymatic activities with gene expression at mid-log phase. Our molecular studies showed that and were highly expressed at the late exponential growth phase, concomitant with high-level HS production, while the expression levels of the other genes remained substantially lower during all growth phases. Although the genetic deletion of without supplementation with a CysK1-catalyzed product, lanthionine, caused cell death, the conditional Δ mutant and a mutant lacking were highly proficient in HS production. In contrast, a mutant devoid of showed drastically reduced HS production, and a mutant showed only minor deficiencies. Intriguingly, the exposure of these mutants to various antibiotics revealed that only the mutant displayed altered susceptibility compared to the parental strain: partial sensitivity to nalidixic acid and resistance to kanamycin. Most significantly, the mutant was attenuated in virulence in a mouse model of preterm birth, with considerable defects in the spread to amniotic fluid and the colonization of the placenta and fetus. Evidently, the l-methionine γ-lyase MegL is a major HS-producing enzyme in fusobacterial cells that significantly contributes to fusobacterial virulence and antibiotic susceptibility. Fusobacterium nucleatum is a key commensal anaerobe of the human oral cavity that plays a significant role in oral biofilm development and contributes to additional pathologies at extraoral sites, such as promoting preterm birth and colorectal cancer. Although F. nucleatum is known as a major producer of hydrogen sulfide (HS), its genetic determinants and physiological functions are not well understood. By a combination of bacterial genetics, biochemical methods, and models of infection, here, we demonstrate that the l-methionine γ-lyase MegL not only is a major HS-producing enzyme of F. nucleatum but also significantly contributes to the antibiotic susceptibility and virulence of this organism.