Antimicrobial Responses in Drosophila Gut Immunity

Abstract

A fundamental question that applies to all organisms is how barrier epithelia efficiently manage continuous contact with microorganisms. Particularly, the mucosal epithelia are the first line in constant interaction with large numbers of microbes. Therefore these surfaces must be armed with efficient microbial control systems for host protection against potential pathogens. In part I, I show that in Drosophila an extracellular immune-regulated catalase (IRC) mediates a key host defense system that is needed during host-microbe interaction in the gastrointestinal tract. Strikingly, adult flies with severely reduced IRC expression show high mortality rates even after simple ingestion of microbe-contaminated foods. However, despite the central role that the NF-kB pathway plays in eliciting antimicrobial responses, NF-kB pathway mutant flies are totally resistant to such infections. These results imply that the homeostasis of redox balance by IRC is one of the most critical factors affecting host survival during continuous host-microbe interaction in the gastrointestinal tract. In part II, I present that the Drosophila dual oxidase (dDuox) is indispensable for gut antimicrobial activities. Adult flies in which dDuox expression was silenced showed a dramatic increase in mortality rate even after a minor infection from ingestion of microbe-contaminated food. The dDuox provides a unique epithelial oxidative burst that limits microbial proliferation in the gut. Thus, the oxidant-mediated antimicrobial responses are not restricted to the phagocytes, but rather are used more broadly including in mucosal barrier epithelia. As stated above, reactive oxygen species (ROS)-dependent immunity is critical to host survival, in the Drosophila gut. This is in contrast to the NF-kB pathway whose physiological function in the microbe-laden epithelia has yet to be convincingly demonstrated despite playing a critical role during systemic infections. In part III, I used a novel in vivo approach to reveal the physiological role of gut NF-kB/ antimicrobial peptide (AMP) system, which has been ‘masked’ in the presence of the dominant intestinal ROS-dependent immunity. When fed with ROS-resistant microbes, NF-kB pathway mutant flies, but not wild-type flies, become highly susceptible to gut infection. This high lethality can be significantly reduced by either re-introducing Relish expression to Relish mutants or by constitutively expressing a single AMP to the NF-kB pathway mutants in the intestine. These results imply that the local ‘NF-kB/AMP’ system acts as an essential ‘fail-safe’ system, complementary to the ROS-dependent gut immunity, during gut infection with ROS-resistant pathogens. This system provides the Drosophila gut immunity the versatility necessary to manage sporadic invasion of virulent pathogens that somehow counteract or evade the ROS-dependent immunity. Taken together, this thesis demonstrates that locally induced ROS and NF-kB/AMP is the powerful main immune response factors for host survival during gastrointestinal microbial infection. ;모든 생명체의 막 조직은 끊임없이 미생물과 접촉하고 있으므로 이들 미생물을 어떠한 효과적인 방법으로 조절할 수 있는가가 생명 유지에 있어서 중요 근본적인 문제일 것 이다. 특히 점막조직은 미생물과 가장 먼저, 가장 쉽게 접촉할 수 있는 곳으로써 이들 표면은 침입한 병원균으로부터 자신을 보호하기 위한 효과적이고 명확한 미생물 조절 기전이 작동되어야만 한다. 첫 번째 논문에서는 초파리 모델을 사용하여 면역 조절 카탈레이즈 (extracellular immune-regulated catalase (IRC))를 동정, 분리하여 이들이 소화기관에서 숙주와 미생물의 지속적인 접촉 작용 동안에 요구되는 주요 방어 기전을 담당한다는 것을 보여준다. 놀랍게도 IRC의 발현을 감소시킨 형질전환 초파리는 미생물에 감염된 음식물을 먹이는 natural infection을 할 경우 심각한 치사율을 보였다. 그러나 여러 선행논문에서 NF-κB pathway가 주요한 항균 반응(antimicrobial response) 기전임이 보고된바 있으나 NF-κB pathway의 돌연변이 파리는 위와 같은 natural infection에 대해서 정상파리와 같은 저항성을 보인다는 것을 관찰할 수 있었다. 이들 결과는 IRC에 의한 redox의 항상성 조절이 소화기관에서 일어나는 지속적인 미생물과의 상호작용 동안 작용하는 가장 중요한 대표적 면역 인자(factor)중에 하나임을 제시한다. 두 번째 논문은 초파리의 dual oxidase (dDuox)가 장에서 특이적인 항균 활성이 있음을 보여준다. dDuox의 단백질 발현이 현저히 감소된 유전자 조작 초파리의 경우 IRC와 같이 natural infection에 의해 매우 놀라운 치사율을 보였다. 이는 dDuox장내에서 미생물의 증식을 제한하고 조절할 수 있도록 장점막내 oxidative burst을 담당하는 유일한 효소임을 제시한다. 그러므로 활성산소를 매개로 한 항균 반응은 지금까지 알려진 전문면역세포에서만 한정되어 일어나는 events가 아니라 장점막에서도 광범위하게 작동되는 주요 면역 반응임을 증명하였다. 위에서 언급한 것과 같이 활성산소 의존적 면역반응(reactive oxygen species (ROS)-dependent immunity)은 초파리 장내에 있어서 가장 중요하게 숙주를 보호하고 생존까지 결정 할 수 있는 기전이다. 그러나 미생물 감염에서 가장 대표적으로 작용하는 NF-κB pathway의 주요 작용이 있음에도 불구하고 이들의 장 점막 내 생리활성적 기능은 마치 미흡해 보이거나 그것에 대한 심도 있는 연구가 진행된바 없으므로 그들의 특이적이고 효과적인 활성에 주목하여 이에 대한 연구를 진행하였다. 세 번째 논문에서 매우 월등한 장내 활성산소 의존적 면역반응 때문에 감춰진 NF-κB/ antimicrobial peptide (AMP) system 의 생리 활성에 관한 역할을 증명하기 위해 새로운 생체 모델 시스템을 이용하여 접근하였다. 활성산소에 저항성이 있는 미생물을 이용하여 natural infection을 할 경우 일반 미생물에 의한 감염 시와는 달리 NF-κB pathway mutant flies는 매우 심각한 치사율을 보였다. 뿐만 아니라 이들 돌연변이 초파리에 장 부위 특이적으로 AMP를 유전자 조작을 통해 제 도입시켜 줄 경우 그들의 치사율이 정상으로 회복되는 것을 확인할 수 있었다. 이들 결과는 활성 산소 의존적인 면역체계에 있어서 local ‘NF-κB/AMP’ system이 필수적이고 효과적인 상호 보완적 기능을 담당한 다는 것을 제시한다. 이 system은 활성산소에 의존적인 숙주의 면역기전이 중요할 뿐만 아니라 이를 극복하고 침입할 수 있는 강한 독성을 가지는 병원균에 의해 감염되었을 경우에 보다 더 특이적이고 효과적으로 제어할 수 있는 주요 장내 면역 반응임을 알 수 있다. 결론적으로, 본 연구는 장내 특이적으로 활성화를 갖는 활성산소와 NF- κB/AMP가 장내 미생물의 감염 시 숙주의 건강과 생존을 위한 강력한 면역 반응 담당자 임을 증명 하였다.