Inter-kingdom communication : quorum sensing and quorum quenching in the metaorganism Hydra

Pietschke, Cleo I.

Every metaorganism consisting of a host and its associated microbes needs to maintain its homeostasis. Bacteria are controlling their behavior by their communication system, called quorum sensing (QS). As a host is interested in suppressing processes as virulence, the interference with a QS system (quorum quenching, QQ) could be an instrument to regulate the behavior of its bacteria. In this thesis, it could be proven that bacteria colonizing Hydra vulgaris (AEP) are producing N-acyl-homoserine-lactones, a class of QS signaling molecules. By analyzing the QS system of Curvibacter sp., the main colonizer of Hydra vulgaris (AEP), it could be shown that it can detect 3-hydroxy-HSLs (3OH-HSLs) as well as 3-oxo-HSLs (3O-HSLs) and produces 3OHC12. Furthermore, a new host mechanism could be identified, which enables Hydra to modify 3O-HSLs via an oxidoreductase activity to the 3OH-HSL counterpart. Consequently, Hydra’s QQ activity promotes Curvibacter’s 3OH-HSL regulated processes. Transcriptional expression data revealed that Curvibacter sp. possesses a differential response to 3OHC12 and 3OC12. Thereby, genes involved in flagella biosynthesis were induced by 3OC12 and inhibited by 3OHC12. The AHLs have also different impacts on the metaorganism assembly. While 3OHC12 promotes, 3OC12 inhibits colonization of host tissue by Curvibacter sp., most likely by a flagellin activated innate immune response. These findings indicate that 3O-HSLs induce the production of flagella in Curvibacter sp., which cause a response in Hydra, resulting in a decreased bacterial community within the metaorganism Hydra. These insights show for the first time, that a host is manipulating QS signals and thereby maintain symbiotic function of its bacteria, which contribute to the homeostasis of the metaorganism.

Jeder Metaorganismus, bestehend aus einem Wirt und seinen assoziierten Mikroben, muss seine Homöostase erhalten. Bakterien kontrollieren ihr Verhalten mit ihrem Kommunikationssystems, dem so genannten Quorum sensing (QS). Da QS gesteuerte Prozesse, wie Virulenz für den Wirtsorganismus von Nachteil sein können, könnte das Eingreifen in das QS-System (Quorum quenching, QQ) der bakteriellen Kolonisierer für den Wirt von Vorteil sein und eine Möglichkeit bieten das Verhalten seiner Bakterien zu regulieren. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass Bakterien von Hydra vulgaris (AEP) N-Acyl-Homoserinlaktone produzieren, eine Klasse von QS-Signalmolekülen. Die Analyse des QS-Systems von Curvibacter sp., der Hauptkolonisierer von Hydra vulgaris (AEP), ergab, dass es sowohl 3-hydroxy-HSLs (3OH-HSLs) als auch 3-oxo-HSLs (3O-HSLs) erkennt und 3OHC12 produziert. Außerdem wurde ein neuer Wirtsmechanismus entdeckt, wodurch Hydra in der Lage ist 3O-HSLs mit einer Oxidoreduktase-Aktivität zu ihrem 3OH-HSL Gegenstück zu modifizieren. Folglich fördert Hydras QQ-Aktivität Curvibacters 3OH-HSL regulierte Prozesse. Die Analyse von Transkriptionsdaten ergab, dass Curvibacter sp. unterschiedlich auf 3OHC12 und 3OC12 reagiert. Unter anderem werden Gene, die an der Flagellenbiosynthese beteiligt sind, durch 3OC12 induziert und durch 3OHC12 inhibiert. Die AHL-Modifizierungen haben auch einen Einfluss auf den Metaorganismus; 3OHC12 fördern die Kolonisierung durch Curvibacter sp., während 3OC12 sie inhibieren. Diese Ergebnisse zeigen, dass 3O-HSLs u.a. die Flagellenproduktion von Curvibacter sp. induzieren, wodurch möglicherweise eine Immunantwort in Hydra ausgelöst wird, die zur Reduktion der bakteriellen Gemeinschaft führt. Diese Erkenntnisse zeigen zum ersten Mal, dass ein Wirt QS-Signale manipuliert und dadurch die symbiotischen Eigenschaften seiner Bakterien fördert, und damit zur Homöostase des Metaorganismus beiträgt.

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Pietschke, Cleo: Inter-kingdom communication. quorum sensing and quorum quenching in the metaorganism Hydra. 2015.

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