Caenorhabditis elegans as a model organism for enterohemorrhagic Escherichia coli O157:H7

Abstract

As a model host, the nematode Caenorhaditis elegans has been used for studying unknown pathogen-host interactions and identifying novel virulence factors in bacterial pathogens. Among these bacterial pathogens that can induce killing of C. elegans is enterohemorrhagic Escherichia coli (EHEC) O157:H7, a major serotype of EHEC causing hemorrhagic colitis and hemolytic uremic syndrome in humans and animals. However, it is unknown which EHEC O157:H7 factors are required for nematode killing. In Chapter I, I reviewed EHEC O157:H7 and C. elegans. In Chapter II, I summarized my finding about hypothetical virulence factors of EHEC O157:H7 in C. elegans. In this study, bacterial ability to kill C. elegans was tested for several EHEC O157:H7 wild type and mutant strains missing one of the virulence-associated factors, including Shiga toxins, enterohemolysin, pO157 (a large virulence plasmid in EHEC O157:H7), intimin, Type III secretion system, flagellin, LuxS, and lipopolysaccharide (LPS) O-side chains. Our results demonstrated that only the mutants lacking either pO157 or LPS O-side chains (∆perA) caused full attenuation in killing of C. elegans. In contrast, none or little effects on nematode killing were observed with all the other mutants evaluated in this study. the ∆perA mutant strain expressing the green fluorescence protein could not accumulate in the nematode intestine 48 hrs after feeding unlike the wild type strain. Since the wild type EHEC O157:H7 strain began to accumulate and colonize in the nematode intestine as early as 3 hrs post-feeding with C. elegans, a rapid clearance or death of the ∆perA mutant strain from or within the nematode intestine is likely occurred. Taken together, these results showed that C. elegans is a feasible model for EHEC O157:H7 and EHEC LPS O-side chains and pO157 are required for the infection in C. elegans.;모델 숙주로서 예쁜 꼬마 선충 Caenorhaditis elegans은 다양한 병원균의 유용한 숙주모델로 등장하고 있으며 숙주와 병원체간의 상호 작용을 연구하고 세균성 병원체에 새로운 독성 요인을 식별하기 위한 모델로 새로이 인식되고 있다. 제 1 장에서는 장관출혈성 대장균 O157:H7과 선충에 관한 문헌조사를 통해 기초적 정보를 정리하였기에 제 2 장의 연구내용을 이해하는 데 도움을 준다. 제 2 장에서는 장관출혈성 대장균 O157:H7의 병원체가 선충의 생존에 미치는 상호 작용을 연구하여 얻어진 대장균인 O157:H7의 새로운 병원성 유발인자를 확인한 실험결과를 담고 있다. 장관출혈성 대장균 O157:H7은 인간과 동물의 열을 동반하는 설사로부터 출혈성 대장염(Hemorrhagic colitis), 용혈성 요독증후군(hemolytic uremic syndrome) 증상들의 원인균으로 이를 선충이 섭생 시 선충이 감염되어 죽을 수도 있다. 비록 장관출혈성 대장균 O157:H7의 병원성 인자가 많이 알려져 있지만 아직 알려지지 않은 장관출혈성 대장균 O157:H7 병원성 인자가 있기에, 선충이라는 감염 숙주모델을 이용해 알려지지 않은 병원성 인자를 스크리닝하고 병원성 기작을 규명할 필요가 있다. 장관출혈성 대장균 O157:H7 야생형과 다양한 돌연변이 균주인 시가독소, enterohemolysin, pO157, TTSS-eae, luxS, 리포다당류(LPS) O-side chain 등 각각 하나가 결여된 돌연변이균주를 대상으로 실험을 진행하였다. 본 연구의 결과는 pO157 또는 LPS O가 결손된 ΔperA 돌연변이 균주는 야생형에 비교해 선충 사멸율에 있어서 천천히 죽음에 이르게 하기에 덜 죽인다는 것이다. 다른 결손 돌연변이주에서는 선충사멸에 있어서 야생형과 큰 차이가 관찰되지 않았다. 형광 현미경 분석은 ΔperA 돌연변이 균주는 야생형 균주와 달리 선충 대장에 축적할 수 없다는 것을 보여 주었다. 야생형 장관출혈성용 대장균 O157:H7 균주와 비교해 ΔperA 돌연변이 균주는 선충의 장내에서 정착하지 못하고 빠르게 빠져나가는 것을 확인할 수 있었다. 이에 반해 야생형은 선충이 섭생을 시작한 3 시간 후부터 빠르게 선충 대장에 축적되고 증식하기 시작했다는 것을 확인하였다. 본 연구에서의 가장 큰 가치는 선충을 장관출혈성 대장균(EHEC O157:H7)의 적합한 숙주모델이라는 것을 제시한 것이다. 또한 선충을 사멸시키는 가장 중요한 LPS O 항원과 pO157 병원성 플라스미드가 선충감염에 중요한 요소라는 것을 제시하고 있다.