Recent advances in studies of bacterial gene expression and light microscopy show that cell-to cell communication and communication and community behavior are the rule rather than the exception. One type of cell-cell communication, quorum sensing in Gram-negative bacteria involves acyl-homoserine lactone signals. This type of quorum sension represents a dedicated communication system that enables a given species to sense when it has reached a critical population density. and to respond by activating expression of specific genes. The LuxR and LuxI proteins of Vibrio fisheri are the founding members of the acyl-homoserine lactone quorum sensing signal receptor and signal generator families of proteins. Acyl-homeserine lactone signaling in Pseudomonas aeruginosa is one model for the relationship between quorum sensing community behavior, and virulence. In the P. aeruginosa model. quorum sensing is required for normal biofilm maturation and virulence. There are multiple quorum-sensing circuits that control the expression of dozens of specific genes in P. aeruginosa.
Kim, Cheoljin;Kim, Jaeeun;Park, Hyung-Yeon;Park, Hee-Jin;Kim, Chan Kyung;Yoon, Jeyong;Lee, Joon-Hee
Molecules and Cells
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제28권5호
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pp.447-453
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2009
The quorum sensing (QS) inhibitors that antagonize TraR, a receptor protein for N-3-oxo-octanoyl-L-homoserine lactones (3-oxo-C8-HSL), a QS signal of Agrobacterium tumefaciens were developed. The structural analogues of 3-oxo-C8-HSL were designed by in silico molecular modeling using SYBYL packages, and synthesized by the solid phase organic synthesis (SPOS) method, where the carboxamide bond of 3-oxo-C8-HSL was replaced with a nicotinamide or a sulfonamide bond to make derivatives of N-nicotinyl-L-homoserine lactones or N-sulfonyl-L-homoserine lactones. The in vivo inhibitory activities of these compounds against QS signaling were assayed using reporter systems and compared with the estimated binding energies from the modeling study. This comparison showed fairly good correlation, suggesting that the in silico interpretation of ligand-receptor structures can be a valuable tool for the pre-design of better competitive inhibitors. In addition, these inhibitors also showed anti-biofilm activities against Pseudomonas aeruginosa.
Kim, Sunyoung;Park, Jungwook;Choi, Okhee;Kim, Jinwoo;Seo, Young-Su
Journal of Microbiology and Biotechnology
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제24권12호
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pp.1609-1621
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2014
The plant pathogen Burkholderia gladioli, which has a broad host range that includes rice and onion, causes bacterial panicle blight and sheath rot. Based on the complete genome sequence of B. gladioli BSR3 isolated from infected rice sheaths, the genome of B. gladioli BSR3 contains the luxI/luxR family of genes. Members of this family encode N-acyl-homoserine lactone (AHL) quorum sensing (QS) signal synthase and the LuxR-family AHL signal receptor, which are similar to B. glumae BGR1. In B. glumae, QS has been shown to play pivotal roles in many bacterial behaviors. In this study, we compared the QS-dependent gene expression between B. gladioli BSR3 and a QS-defective B. gladioli BSR3 mutant in two different culture states (10 and 24 h after incubation, corresponding to an exponential phase and a stationary phase) using RNA sequencing (RNA-seq). RNA-seq analyses including gene ontology and pathway enrichment revealed that the B. gladioli BSR3 QS system regulates genes related to motility, toxin production, and oxalogenesis, which were previously reported in B. glumae. Moreover, the uncharacterized polyketide biosynthesis is activated by QS, which was not detected in B. glumae. Thus, we observed not only common QS-dependent genes between B. glumae BGR1 and B. gladioli BSR3, but also unique QS-dependent genes in B. gladioli BSR3.
Kim, Sunyoung;Park, Jungwook;Kim, Ji Hyeon;Lee, Jongyun;Bang, Bongjun;Hwang, Ingyu;Seo, Young-Su
The Plant Pathology Journal
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제29권3호
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pp.249-259
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2013
Burkholderia glumae causes rice grain rot and sheath rot by producing toxoflavin, the expression of which is regulated by quorum sensing (QS). The QS systems of B. glumae rely on N-octanoyl homoserine lactone, synthesized by TofI and its cognate receptor TofR, to activate the genes for toxoflavin biosynthesis and an IclR-type transcriptional regulator gene, qsmR. To understand genome-wide transcriptional profiling of QS signaling, we employed RNAseq of the wild-type B. glumae BGR1 with QS-defective mutant, BGS2 (BGR1 tofI::${\Omega}$) and QS-dependent transcriptional regulator mutant, BGS9 (BGR1 qsmR::${\Omega}$). A comparison of gene expression profiling among the wild-type BGR1 and the two mutants before and after QS onset as well as gene ontology (GO) enrichment analysis from differential expressed genes (DEGs) revealed that genes involved in motility were highly enriched in TofI-dependent DEGs, whereas genes for transport and DNA polymerase were highly enriched in QsmR-dependent DEGs. Further, a combination of pathways with these DEGs and phenotype analysis of mutants pointed to a couple of metabolic processes, which are dependent on QS in B. glumae, that were directly or indirectly related with bacterial motility. The consistency of observed bacterial phenotypes with GOs or metabolic pathways in QS-regulated genes implied that integration RNAseq with GO enrichment or pathways would be useful to study bacterial physiology and phenotypes.
A new series comprising phenylacetyl-homoserine lactones (HSLs), caffeoyl-HSL and feruloyl-HSL, was biologically synthesized using an artificial de novo biosynthetic pathway. We developed an Escherichia coli system containing artificial biosynthetic pathways that yield phenylacetyl-HSLs from simple carbon sources. These artificial biosynthetic pathways contained the LuxI-type synthase gene (rpaI) in addition to caffeoyl-CoA and feruloyl-CoA biosynthetic genes, respectively. Finally, the yields for caffeoyl-HSL and feruloyl-HSL were $97.1{\pm}10.3$ and $65.2{\pm}5.7mg/l$, respectively, by tyrosine-overproducing E. coli with a $\text\tiny{L}$-methionine feeding strategy. In a quorum sensing (QS) competition assay, feruloyl-HSL and p-coumaroyl-HSL antagonized the QS receptor TraR in Agrobacterium tumefaciens NT1, whereas caffeoyl-HSL did not.
그람음성 간균인 녹농균(Pseudomonas aeruginosa)은 비뇨기, 각막, 호흡기, 화상부위 등에 광범위하게 감염하는 기회감염성 병원균으로, 병원성의 발현에 세균의 세포밀도 인식 기전인 쿼럼 센싱(quorum sensing)이 매우 중요하게 관여한다. 사전 연구에서 녹농균 감염력을 제어하기 위한 방법으로 쿼럼 센싱의 주 신호물질인 N-3-oxododecanoyl-HSL(3OC12-HSL)의 분자 구조가 변형된 물질들을 합성하여 쿼럼 센싱 억제물질로 사용하고자 하였으며, 그 중 두 개의 물질들(5b, 5f)이 대장균을 이용한 스크리닝을 통해 녹농균의 주요 쿼럼 센싱 수용체 단백질인 LasR의 활성을 억제할 수 있음을 확인하였었다. 본 연구에서는 이 물질들의 효과를 보다 면밀히 분석하기 위하여 실제 녹농균에서 이 물질들이 쿼럼 센싱과 병독성을 억제할 수 있는지 분석해 보았다. 대장균을 이용한 리포터 분석에서와는 달리, 5b와 5f 모두 녹농균에서 직접 처리하였을 때는 LasR의 활성에 영향을 주지 못하였다. 대신 이 물질들은 녹농균의 또다른 쿼럼 센싱 수용체 단백질인 QscR의 활성에 선택적으로 영향을 주었다. 흥미롭게도 이 물질들의 효과는 대장균에서 얻어진 결과와는 달랐으며 다소 복잡하였다. 두 물질 모두 낮은 농도 범위(<10 ${\mu}m$)에서 QscR의 활성을 증가시켰으며, 높은 농도의 5f(${\approx}$1 mM)는 QscR을 강하게 억제하였다. 두 물질 모두 중요한 병독인자인 프로테아제 활성에는 영향을 주지 않으면서도, 만성감염을 매개하는데 중요한 생물막의 형성은 의미있게 감소시켰다. 특히 5f는 생물막의 성숙단계 보다는 녹농균 세포의 초기 부착을 억제하였다. 이러한 결과들을 바탕으로, 5f의 경우 독성의 증가 없이 생물막 형성을 억제할 수 있는 물질로 응용이 가능하다고 제안한다.
Growth restriction by antibiotics is a common feature that pathogenic bacteria must overcome for survival. The struggle of bacteria to escape from growth restriction eventually results in development of antibiotic-resistance through the expression of a set of genes. Here we found that some physiologically important transcriptional regulators of Pseudomonas aeruginosa including QscR, a quorum sensing (QS) receptor, SoxR, a superoxide sensor-regulator, and AntR, a regulator of anthranilate-related secondary metabolism, are activated by various growth-restricted conditions. We generated the growth-restricted conditions by various methods, such as overexpression of PA2537 and treatment with antibiotics or disinfectants. The overexpression of PA2537, encoding an acyltransferase homologue, tightly restricted the growth of P. aeruginosa and significantly activated QscR during the growth restriction. Similarly, treatments with gentamycin, tetracycline, and ethanol also activated QscR near their minimal inhibitory concentrations (MICs). Some non-QS regulators, such as AntR and SoxR, were also activated near the MICs in the same conditions. However, LasR and PqsR, other QS receptors of P. aeruginosa, were not activated, suggesting that only a specific set of transcriptional regulators is activated by growth restriction. Since paraquat, a superoxide generator, significantly activated QscR and AntR, we suggest that the oxidative stress generated by growth restriction may be partly involved in this phenomenon.
Quorum sensing (QS)-mediated infections cause severe diseases in human beings. The control of infectious diseases by inhibiting QS using antipathogenic drugs is a promising approach as antibiotics are proving inefficient in treating these diseases. Marine fungal (Pestalotiopsis sydowiana PPR) extract was found to possess effective antipathogenic characteristics. The minimum inhibitory concentration (MIC) of the fungal extract against test pathogen Pseudomonas aeruginosa PAO1 was 1,000 ㎍/ml. Sub-MIC concentrations (250 and 500 ㎍/ml) of fungal extract reduced QS-regulated virulence phenotypes such as the production of pyocyanin, chitinase, protease, elastase, and staphylolytic activity in P. aeruginosa PAO1 by 84.15%, 73.15%, 67.37%, 62.37%, and 33.65%, respectively. Moreover, it also reduced the production of exopolysaccharides (74.99%), rhamnolipids (68.01%), and alginate (54.98%), and inhibited the biofilm formation of the bacteria by 90.54%. In silico analysis revealed that the metabolite of P. sydowiana PPR binds to the bacterial QS receptor proteins (LasR and RhlR) similar to their respective natural signaling molecules. Cyclo(-Leu-Pro) (CLP) and 4-Hydroxyphenylacetamide (4-HPA) were identified as potent bioactive compounds among the metabolites of P. sydowiana PPR using in silico approaches. The MIC values of CLP and 4-HPA against P. aeruginosa PAO1 were determined as 250 and 125 ㎍/ml, respectively. All the antivirulence assays were conducted at sub-MIC concentrations of CLP (125 ㎍/ml) and 4-HPA (62.5 ㎍/ml), which resulted in marked reduction in all the investigated virulence factors. This was further supported by gene expression studies. The findings suggest that the metabolites of P. sydowiana PPR can be employed as promising QS inhibitors that target pathogenic bacteria.
Vibrio harveyi 쿼럼 센싱 (quorum sensing; QS) 신호전달에 대한 저해제들이 주 신호물질인 N-3-hydroxybutanoyl-L-homoserine lactone(3-OH-$C_4$-HSL)의 분자 구조를 변형함에 의해 개발되었다. 일련의 구조 변형체들인 N-(3-hyoxysulfonyl)-L-homoserine lactones(HSHLs)들은 고체상 유기합성법 (solid-phase organic synthesis method)으로 합성되었다. 이 물질들의 생체내 쿼럼 센싱 저해능이 V. harveyi 발광을 이용한 bloassay를 system에 의해 측정되었을 때, 모두 의미있는 저해효과를 보여주었다. 이 물질들과 3-OH-$C_4$-HSL 수용체 단백질인 LuxN 사이의 상호작용을 분석하기 위하여 LuxN의 신호 결합 부위를 다른 acyl-HSL 결합 단백질들과의 유사성에 기초하여 시험적으로 결정하였다. 이 추정 신호결합 부위의 부분적 삼차구조를 ORCHESTRA program을 이용하여 예측하였으며, 이 부위 내에서 3-OH-$C_4$-HSL와 HSHLs의 결합 형태와 에너지를 계산하였다. 이렇게 모델링을 통해 얻어진 결과와 생체 내 bioassay를 통해 얻어진 결과의 비교를 통해, 수용체 단백질과 그 리간드 사이의 상호 작용에 관한 in silica 해석이 특히 단백질의 삼차 구조에 대한 정보가 제한적인 경우에 보다 나은 저해제 개발을 위한 유용한 방법이 될 수 있음을 제안한다.
그람 음성균인 녹농균(Pseudomonas aeruginosa)은 다양한 환경에 존재하는 기회감염성 병원균으로, 병원성의 발현에 쿼럼센싱(QS) 기전이 중요한 역할을 담당한다. 녹농균의 여러 QS 신호물질 수용체들 중 하나인 QscR은 다른 QS 수용체들과는 구분되는 특별한 특성들을 가진다. 본 연구에서는 이러한 특성들 중 특히 넓은 신호물질 특이성을 QscR에 부여해 주는 아미노산 잔기가 무엇인지 알아보기 위해, QscR의 72번째 threonine, 132번째 arginine, 140번째 threonine 잔기가 각각 isoleucine, methionine, isoleucine 잔기로 치환된 돌연변이 QscR들($QscR_{T72I}$, $QscR_{R132M}$, $QscR_{T140I}$)을 제조하였다. 이들의 활성을 측정해 보았을 때 $QscR_{R132M}$은 N-3-oxododecanoyl homoserine lactone (3OC12-HSL)에 대한 반응성이 사라졌고, $QscR_{T72I}$와 $QscR_{T140I}$는 민감성이 많이 감소하기는 하였으나 여전히 3OC12-HSL에 대한 반응성을 가지고 있었다. 이들 돌연변이 QscR들에 다양한 구조의 acyl-HSL을 처리해 보았을 때, $QscR_{T72I}$와 $QscR_{T140I}$는 야생형 QscR처럼 자기 자신의 신호물질인 3OC12-HSL 보다 N-decanoyl HSL (C10-HSL)이나 N-dodecanoyl HSL (C12-HSL)처럼 10개 혹은 12개의 탄소 사슬을 가지면서 3번째 탄소에 oxo-moiety가 없는 acyl-HSL에 대해 더 높은 반응성을 보였으며, $QscR_{R132M}$은 3OC12-HSL 뿐만 아니라 본 연구에서 사용된 어떤 acyl-HSL에도 반응성을 보이지 않았다. 또한 $QscR_{T72I}$와 $QscR_{T140I}$는 QscR 억제제인 5f에 의해 야생형 QscR과 비슷한 수준으로 활성이 억제되었다. 이러한 결과들은 130번째 arginine의 경우 QscR의 활성과 acyl-HSL들과의 결합에 중요한 역할을 하는 반면, 72번째와 140번째 threonine들의 경우 QscR의 활성에는 중요하지만, 다른 구조의 acyl-HSL들에 대한 선택적 결합이나, 경쟁적 억제자들의 결합 간섭에는 영향을 주지 않음을 시사하는 것이다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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