온도와 염분농도 변화에 의한 패혈증 비브리오균 단백분해효소 생산조절

Abstract

패혈증 비브리오균은 해양미생물 중 하나로서 주요 자연서식처는 민물이 섞이는 연안 바닷물이다. 이 균이 인체감염을 일으키기 위해서는 온도와 염분농도의 변화, 영양분의 차이 등 다양한 환경인자들의 변화를 극복할 수 있어야 한다. 환경인자들 중 온도와 염분농도의 변화는 패혈증 비브리오균이 생산하는 독력인자 중 하나인 단백분해효소의 생산을 조절하는 신호 중 하나로서 알려져 왔으나 그 조절기전은 아직까지 규명되지 못하였다. 본 연구에서는 여름철 바닷물의 온도인 25oC에서 체온인 37oC로 온도변화를 주고 이와 더불어 바닷물의 염분농도인 2.5%에서 인체의 염분농도인 0.9%로 염분농도의 변화를 주었을 때 패혈증 비브리오균에 의한 단백분해효소의 생산이 어떻게 조절되는지를 관찰하였다. 또한, 조절기전을 밝히기 위하여 동일한 온도와 염분농도의 변화가 세균집단의 밀도에 반응하여 단백분해효소 등 독력인자들의 발현을 조화롭게 조절하는 것으로 알려진 autoinducer-2 (AI-2)에 의해 매개되는 quorum-sensing system (QSS)의 활성에 어떠한 영향을 미치는가, 그리고 단백분해효소 등 여러 가지 단백들의 세포외 분비를 담당하고 있는 PilD에 의해 매개되는 type II general secretion system (II-GSS)의 활성에 어떠한 영향을 미치는 가를 관찰하였다. 연구결과를 보면, 온도와 염분농도의 변화에 의해 세균성장이 촉진되었다. 이와 함께 QSS의 신호전달물질인 AI-2의 생합성 효소 LuxS를 암호화하는 유전자 luxS의 전사와 AI-2-QSS의 주요 전사조절인자 SmcR를 암호화하는 유전자 smcR의 전사도 촉진되었다. 단백분해효소를 암호화하는 유전자 vvpE의 전사도 동일한 온도와 염분농도의 변화에 의해 촉진되었다. 단백분해효소 유전자 vvpE의 이러한 변화는 QSS에 관여하는 유전자 luxS와 유전자 smcR를 돌연변이시켰을 때 약화되었고, 유전자 luxS를 돌연변이시켰을 때 보다는 유전자 smcR를 돌연변이시켰을 때 더욱 약화되었다. 또한, 온도와 염분농도의 변화는 II-GSS에 반드시 필요한 효소인 PilD를 암호화하는 유전자 pilD의 발현을 촉진하였다. 유전자 pilD의 이러한 변화는 QSS에 관여하는 유전자 luxS 또는 유전자 smcR를 돌연변이시킨 경우에도 큰 변화 없이 관찰되었다. 단백분해효소의 세포외 생산 또한 온도와 염분농도의 변화에 의해 촉진되었다. 단백분해효소 세포외 생산의 이러한 변화는 QSS에 관여하는 유전자 luxS와 유전자 smcR를 돌연변이시켰을 때 약화되었고 두 유전자의 야생형을 이용하여 돌연변이를 보완시켜 주었을 때에는 원래대로 회복되었다. 따라서, 이러한 결과는 패혈증 비브리오균이 인체감염을 일으킬 때 온도와 염분농도의 변화를 감지하고 유전자발현 수준에서는 AI-2-QSS을 통해 그리고 단백질 세포외 분비 수준에서는 PilD-II-GSS를 통해 단백분해효소의 생산을 조절함으로써 균의 독력을 변화시킬 수 있음을 분명하게 보여준다.|Vibrio vulnificus can survive in the two distinct environments, sea water and the human body, which differ in many respects including temperature, salinity, and the type and concentration of nutrients. Of these environmental factors, the change of temperature and salinity has been known as a signal that modulates the expression of vvpE encoding a metalloprotease VvpE in Vibrio vulnificus, but the mechanisms remains to be clarified. This study shows that the autoinducer-2-mediated quorum-sensing system (AI-2-QSS) involves the temperature and salinity-mediated modulation of vvpE expression, and that the type II general secretion system (II-GSS) involves the temperature and salinity-mediated modulation of extracellular VvpE production. Along with bacterial growth, transcription of luxS encoding an enzyme for AI-2 synthesis and of smcR encoding a master regulator of AI-2-QSS was stimulated by the dual shifting of temperature (25oC to 37oC) and salinity (2.5% to 0.9%). Transcription of vvpE was stimulated by the shifting; this regulation was attenuated by luxS or smcR mutation, and was more greatly affected by smcR mutation than by luxS mutation. Extracellular production of VvpE was stimulated by the shifting; this regulation was attenuated by luxS or smcR mutation, and this attenuation was partially recovered by in trans complementation of wild type luxS or smcR. In addition, the shifting stimulated the expression of pilD encoding an essential component of II-GSS, which is responsible for extracellular VvpE secretion, even in the luxS- or luxR-mutated background. These results indicate that V. vulnificus senses the shifting of temperature and salinity to regulate VvpE production by up-regulating the AI-2-QSS activity at the gene expression level, and by up-regulating the PilD-mediated II-GSS activity at the protein secretion level, and can eventually upgrade its virulence for better survival within the human body.