Infection-inducible secretory catalase mediates essential host antioxidant defense system during microbial infection in Drosophila innate immunity

Abstract

The de novo production of bactericidal reactive oxygen species (ROS) is one of the most immediate host innate immune responses during microbial infection. However, excessive amounts of infection-induced ROS are also deleterious to surrounding host cells. The enzymatic removal of ROS by an infection-controlled antioxidant system is hence indispensable for efficient host protection. Although many antioxidant enzymes have been well documented, their exact in vivo functions during infection are poorly known. Here, we show that a Drosophila Toll-controlled gene has been biochemically characterized as an infection-inducible secretory catalase, and thus was referred as inducible Catalase (iCat). Our in vivo functional study with iCat-knock down flies demonstrates that iCat mediates a key antioxidant defense system, which is essential for the host survival against septic injury. Strikingly, flies carrying iCat-RNAi show high lethality following natural mode of infection by feeding with microbe-contaminated foods, whereas NF-κB relish mutant flies are resistant to such infection. Furthermore, flies carrying iCat-RNAi show multiple developmental defects. Altogether, these results imply that down-regulation of ROS by iCat is a critical physiological process during innate immune response as well as development in Drosophila. ;살균성 활성 산소의 생성은 미생물 감염 시 가장 빠르게 반응하는 선천성 면역 중의 하나이다. 그러나 감염에 의해서 유도되는 과도한 활성산소의 양은 주위의 숙주 세포에도 매우 해롭다. 그러므로 감염에 의해 조절되는 항산화 시스템을 통한 활성산소의 효소적 제거는 숙주를 효과적으로 보호하기 위해 필수적이다. 지금까지 여러 항산화 시스템은 잘 연구되어 왔지만 감염 시 그들의 생체 기능에 대한 연구는 아직 분명하게 밝혀져 있지 않다. 본 논문에서, 초파리 Toll 수용체에 의해 조절되는 한 유전자가 감염 시 전사 유도되는 세포의 분비성 catalase이라는 것을 생화학적 방법으로 증명하였으며, 이 유전자를 inducible Catalase (iCat) 라고 명명하였다. iCat-RNAi 형질전환 초파리를 이용한 생체 기능 연구를 통해, iCat 이 미생물 감염 시 숙주의 생존에 필수적인 항산화 시스템에 관여한다 라는 것을 증명하였다. 특히 iCat-RNAi 형질전환 초파리는 미생물이 감염된 먹이의 자연적 섭식에 의해서도 현저하게 높은 치사율을 보였으나 NF-κB/relish 돌연변이 초파리는 이와 같은 방식의 미생물 감염에 저항력을 가졌다. 그뿐만 아니라, iCat-RNAi 형질전환 초파리는 다양한 발생적 결함을 보였다. 결론적으로 iCat에 의한 항산화 작용은 초파리의 선천성 면역 반응뿐만 아니라 발생과정에도 관여하는 중요한 생리학적 작용이라는 것을 생체 내 에서 증명하였다.