Expressão e atividade de sistemas de dois componentes (TCS) de Salmonella enterica sorovar Typhimurium no contexto do metaboloma intestinal humano / Expression and activity of two-component systems of Salmonella enterica sorovar Typhimurium in the context of the human intestinal metabolome

RESUMO

A interação entre membros do microbioma intestinal humano, células hospedeiras e patógenos invasores pode ocorrer de diversas formas, sendo uma delas através de pequenas moléculas chamadas metabólitos. A percepção e resposta efetiva de um microrganismo às diferentes condições encontradas em seu ambiente, incluindo metabólitos produzidos por outros microrganismos, são fatores importantes para sua adaptação, sobrevivência e disseminação. Os sistemas de dois componentes (TCS) permitem a percepção e resposta a mudanças ambientais, regulando a expressão de genes específicos. Nosso grupo mostrou anteriormente que um extrato orgânico de fezes humanas (EF), bem como o ácido 3,4-dimetilbenzoico (3,4-DMB), encontrado no EF, inibe a capacidade de Salmonella enterica sorovar Typhimurium de invadir células hospedeiras. O presente trabalho propôs investigar o impacto do microbioma intestinal humano, bem como de pequenas moléculas produzidas por Clostridium citroniae (membro deste microbioma) na expressão e atividade dos genes de TCS de Salmonella. Os metabólitos de EF e de culturas puras de C. citroniae foram extraídos com acetato de etila e adicionados a meio de cultura. O pH do meio foi ajustado (~ 7,4) e a solução foi esterilizada por filtragem. Salmonella foi cultivada na presença ou ausência do EF e do extrato de C. citroniae, bem como do ácido 3,4-DMB, em condições aeróbias e anaeróbias, até alcançar o meio da fase logarítmica de crescimento. O RNA foi extraído para a realização de PCR em Tempo Real utilizando iniciadores direcionados a quase todos os TCS de Salmonella. Nossos resultados mostraram que vários genes de TCS envolvidos na virulência de Salmonella (SsrAB, EnvZ-OmpR, QseCB, PhoQP, TorSR, TtrRS) foram regulados diferencialmente por esses metabólitos, tanto em condições aeróbias quanto anaeróbias. EnvZ-OmpR, PhoPQ e SsrAB estão diretamente envolvidos na regulação das Ilhas de Patogenicidade 1 e 2 de Salmonella. QseCB é crucial para a detecção de quorum em Salmonella, de hormônios hospedeiros e para a regulação da motilidade (swimming). Vários outros TCS também foram regulados, incluindo TorSR e TtrRS, envolvidos na regulação da respiração anaeróbica de N-óxido de trimetilamina (TMAO) e tetrationato, respectivamente. Esses compostos são importantes para a sobrevivência de Salmonella no ambiente anaeróbico do intestino humano. Nossos resultados de avaliação de expressão gênica global de Salmonella cultivada na presença de ácido 3,4-DMB (aerobiose e anaerobiose) bem como na presença do EF em anaerobiose, mostraram que genes condificados em SPI-1 e SPI-2, SPI-4 e alguns genes do TCS foram reprimidos, enquanto genes marR, marB e marA foram ativadas nessas condições. Adicionalmente, comparamos nossos resultados de RNAseq, de Salmonella cultivada na presença do ácido 3,4-DMB em aerobiose, com resultados disponíveis da base de dados Salmonella Compendium. Ainda, a capacidade de Salmonella de adentrar e sobreviver dentro de células fagocíticas (macrófagos RAW 264.7) parece ser afetada pelas três condições testadas neste trabalho. Nossos resultados mostram que importantes vias de sinalização da virulência de Salmonella podem ser moduladas pelos metabólitos presentes no microbioma intestinal humano e abrem caminhos para novas pesquisas sobre a sinalização intercelular microbioma-patógeno no ambiente intestinal.

ABSTRACT

The interaction between members of the human gut microbiome, host cells and invading pathogens often occurs through small molecules, also called metabolites. The perception and effective response of a microorganism to the different conditions found in its environment, including metabolites produced by other microbes, is important for its adaptation, survival and dissemination. Two-component systems (TCS) allow the perception and response to environmental changes by regulating the expression of specific genes. Our group previously showed that organic extracts of human feces (EF) as well as the specific metabolite 3,4-dimethylbenzoic acid (3,4-DMB) found within the EF, inhibit the ability of Salmonella enterica sorovar Typhimurium to invade host cells. In the present work, we investigated the impact of the human gut microbiome as well as small molecules produced by Clostridium citroniae (a member of this microbiome) on the expression and activity of Salmonella TCS genes. Metabolites (from feces or C. citroniae cultures) were extracted using ethyl acetate and added to culture medium. The pH of the medium was adjusted (~7.4), and the solution was filter sterilized. Salmonella was grown in the presence or absence of the organic extracts as well as 3,4-DMB acid under aerobic and anaerobic conditions until it reached mid-log growth. RNA was then extracted for Real-time PCR using primers targeting almost all Salmonella TCS. Our results showed that several TCS involved in Salmonella virulence (SsrAB, EnvZ-OmpR, QseCB, PhoQP, TorSR, TtrRS) were differentially regulated by these metabolites both in aerobic and anaerobic conditions. EnvZ-OmpR, PhoPQ, and SsrAB are directly involved in the regulation of Salmonella Pathogenicity Islands 1 and 2. QseCB is crucial for Salmonella =quorum sensing, sensing of host hormones and regulation of swimming motility. Several other TCS were also regulated, including TorSR and TtrRS, which are involved in the anaerobic respiration of trimethylamine N-oxide (TMAO) and tetrathionate, respectively. These compounds are important for Salmonella survival in the anaerobic environment of the human gut. Our results of the evaluation of global Salmonella gene expression grown in the presence of 3,4-DMB acid (aerobiosis and anaerobiosis) as well as in the presence of EF in anaerobiosis, showed that genes encoded in SPI-1 and SPI-2, SPI-4 and some TCS genes have been repressed, while multiple drug resistance genes, as well marR, marB and marA genes have been activated under these conditions. Besides, we compared our results of RNAseq, Salmonella was grown in the presence of 3,4-DMB acid in aerobiosis, with results available from the Salmonella Compendium database. Also, Salmonella's ability to enter and survive within phagocytic cells (macrophages RAW 264.7) appears to be affected by the three conditions tested in this work. Our results show that important Salmonella virulence signalling pathways can be modulated by the metabolites present in the human intestinal microbiome and open the way for further research on the microbiome-pathogen intercellular signalling in the intestinal environment.