Identification of gut microbiomes required for host development in Drosophila

Abstract

Bacteria are colonized and able to form symbiotic relationships with many organisms in the gut. Recent advances have shown that these symbiotic bacteria impact diverse ranges of host physiology such as host growth and development. However, the molecular mechanism underlying this process is still unclear. In this study, we used the Drosophila model system to identify the microbiome activity required for host development. We found that a single symbiotic bacterium, Acetobacter pomorum, is sufficient to promote the host growth. By performing genetic screening using A. pomorum random mutant library, we found that eleven genes involved in the oxidative respiratory chain controlled by pyrroloquinoline quinine-dependent alcohol dehydrogenase (PQQ-ADH) in the periplasmic membrane of this bacterium is required for optimal host growth. As PQQ-ADH activity is involved in acetic acid production, our results suggest that the bacterial products such as acetic acid or acetic acid-derived metabolite(s) are likely involved in host-microbe mutualism. This new genetic model system of Drosophila-Acetobacter will provide an exciting avenue for elucidating the bacterial and host signalling pathways involved in the inter-species symbiosis.;인간을 포함한 거의 모든 생명체의 장에는 매우 다양한 미생물들이 존재하며 숙주와 함께 공생하고 있다. 최근 많은 연구결과들을 통해서 미생물들이 장 내에 지속적으로 머물면서 성장과 발달 같은 숙주의 생물학적 기능에 다양한 영향을 미친다는 사실이 알려지고 있다. 하지만 아직까지 이러한 장내 미생물이 정확히 어떠한 방법으로 숙주에 도움을 주는지에 대한 분자 생물학적 수준의 조절기전에 대해서는 밝혀진 바가 없다. 따라서 이번 연구에서는 초파리 모델 시스템을 이용하여 초파리 장내 공생 미생물이 어떠한 조절기전을 통해서 숙주의 성장에 도움을 주는지에 대하여 알아보았다. 초파리가 장내에 가지고 있는 주요 공생미생물 중, Acetobacter pomorum 만이 숙주의 생장을 빠르게 하는 것을 관찰하였고, 숙주의 생장을 촉진하는 미생물 유전자를 규명하기 위하여 Acetobacter pomorum 의 random mutagenesis library를 이용하여서sereening을 실시 하였다. 그 결과 11가지의 유전자가 pyrroloquinoline quinine-dependent alcohol dehydrogenase(PQQ-ADH)에 의해서 조절되는 oxidative respiratory chain 을 통하여 숙주의 성장에 중요한 역할을 한다는 것을 밝혀 냈다. PQQ-ADH가 acetic acid 를 만드는데 중요하다고 알려져 있으므로, 본 연구결과는 A. pomorum을 통해서 생산되는 acetic acid 또는 acetic acid유래의 대사물이 숙주-미생물 공생에 관여할 가능성을 제시한다. 또한 본 연구를 통해서 구축된 “Drosophila-Acetobacter” 의 유전학 모델은 공생에 관여하는 세균 및 숙주의 신호전달 체계 규명에 큰 도움이 될 것이라고 기대한다.