Fatty acid-mediated quorum sensing systems in stenotrophomonas maltophilia

Abstract

Els sistemes de comunicació bacteriana -coneguts com quorum sensing (QS)- a través de molècules senyalitzadores del tipus àcid gras han despertat molt d’interès en els darrers anys ja que s’ha vist que molts bacteris patògens els utilitzen per regular funcions relacionades amb la virulència. Es coneix que Stenotrophomonas maltophilia presenta el sistema de QS DSF (Diffusible Signal Factor) el qual és controlat pels gens que conformen el clúster rpf (Regulation of Pathogenecity Factors). No obstant, no està clar els mecanismes pels quals S. maltophilia sintetitza i sensa les molècules senyal així com quines funcions estan regulades per aquest sistema. En aquest treball hem demostrat que existeixen dues poblacions de S. maltophilia les quals es diferencien en base al clúster rpf (rpf-1 o rpf-2) que presenten. Cada variant difereix bàsicament en els gens que codifiquen per la sintasa RpfF i el sensor RpfC. A més, hem observat que existeix una associació entre ambdós components, generant-se la parella RpfF-1/RpfC-1 per les soques rpf-1 i RpfF-2/RpfC-2 per les soques rpf-2. Addicionalment, hem demostrat que només aquelles soques que presenten la variant rpf-1 produeixen nivells detectables de DSF i aquest regula motilitat bacteriana, formació de biofilm i virulència. Per altra banda, les soques de la variant rpf-2 necessiten més còpies de la sintasa RpfF-2 o l’absència del repressor RpfC-2 per produir DSF. En aquest cas, el sistema de QS DSF sembla només regular pocs fenotips relacionats amb virulència en situacions molt específiques. També hem mostrat que existeix un feedback positiu en la síntesi de DSF i que ambdós grups de soques actuen de manera sinèrgica en la producció de DSF i la virulència de tota la població. Addicionalment, hem observat que, mentre la variant RpfC-1 és un sensor promiscu el qual permet l’alliberació de la sintasa RpfF-1 tant punt detecta no només DSF sinó també àcids grassos de cadena mitja, el sensor RpfC-2 és molt més específic, alliberant RpfF-2 només quan detecta DSF. A més a més, aquí també mostrem com el sistema de QS cis-DA (cis-decenoic) descrit recentment a Pseudomonas aeruginosa és també present a S. maltophilia i regula un alt nombre de factors de virulència. En aquesta línia, hem sigut capaços de caracteritzar preliminarment dos components importants en la biosíntesi de l’àcid gras cis-DA: les enoil coA hidratases (ECH) Smlt0266 i Smlt0267. Hem observat que, mentre la mutació de la hipotètica sintasa Smlt0266 només condueix a l’increment de la formació de biofilm, la mutació en el gen que codifica per la ECH alternativa Smlt0267 implica una reducció dràstica en la formació de biofilm, la motilitat bacteriana, la producció d’exopolisacàrids, la resistència a antibiòtics i la virulència. Resultats similars s’han obtingut per els mutants dels gens ortòlegs a P. aeruginosa, la qual cosa recolza la importància d’aquestes dues ECHs, a més a més del sistema DSF, en la regulació de la virulència i aporta noves dianes interessants pel desenvolupament de teràpies antimicrobianes contra aquest potencial patogen humà

Fatty-acid mediated Quorum Sensing (QS) systems have aroused considerably interest in the last years since it has been reported that many important bacterial pathogens use these communication systems to regulate virulence-related functions. It is known that Stenotrophomonas maltophilia presents the DSF (Diffusible Signal Factor) QS system, which is controlled by components that are encoded in the rpf cluster (Regulation of Pathogenicity Factors). However, the mechanisms by which S. maltophilia synthesize and sense as well as the biological functions that are under control of DSF-QS remain unclear. Here, we have first demonstrated that two populations of S. maltophilia can be distinguished depending on the rpf cluster (rpf-1 or rpf-2) they harbour. Each variant cluster differs basically in the genes that encode for the synthase RpfF and the sensor RpfC. Moreover, we have observed that there exist a full association between both components, existing the pair RpfF-1/RpfC-1 for the rpf-1 variant and RpfF-2/RpfC-2 for the rpf-2 variant. In addition, we have demonstrated that only strains harbouring the rpf-1 variant produce detectable levels of DSF and it seems to regulate bacterial motility, biofilm development and virulence. On the other hand, strains harbouring the rpf-2 variant need extra copies of rpfF-2 or the absence of rpfC-2 to achieve detectable levels of DSF. In this case, DSF-QS seems to control only some virulence-related phenotypes in very specific environments (e.g., zebrafish infection). We also have shown that DSF is produced in a positive feedback-manner in S. maltophilia, and also, that both rpf-variant groups act synergistically in the DSF production and virulence ability of the whole population. In addition, we have observed that while RpfC-1 is a promiscuous sensor that liberates free active-RpfF-1 -with the subsequent DSF synthesis- upon detection not only DSF, but also saturated medium-length fatty acids, the sensor RpfC-2 only allows activation of RpfF-2 upon detection of DSF-itself, indicating that this sensor component is much more specific. Here, we further report that the cis-DA (cis-decenoic acid) QS system recently described in Pseudomonas aeruginosa is also present in S. maltophilia, and it regulates various virulence factors. In this line, we have preliminary characterized two important components in the biosynthesis of cis-DA, the enoyl-CoA hydratases (ECH) Smlt0266 and Smlt0267. We have observed that while the mutation in the putative synthase smlt0266 lead to alteration basically in biofilm formation, the mutation of the alternative ECH smlt0267 results in a drastic effect in many virulence-related behaviours such as biofilm formation, bacterial motility, exopolysaccharide production, antibiotic resistance and virulence. Similar results have been obtained for the mutants in the orthologous P. aeruginosa genes ∆dspI and ∆dspII. These results further support the significance of these two ECH, in addition to DSF-QS system, in virulence regulation of S. maltophilia and provide new interesting targets for developing new antimicrobial therapies against this potential human pathogen.