代謝可塑性による Porphyromonas gingivalis の生活様式の変遷

Metabolic plasticity enables lifestyle transitions of Porphyromonas gingivalis.

抄録

口腔内嫌気性細菌 Porphyromonas gingivalis がどのようにして歯肉縁下に留まり、生態系を変化させ、多菌感染症を促進するかについては、まだ理解が進んでいない。P. gingivalisは、タンパク質を主なエネルギー源とする高度なタンパク質分解性・非糖分解性病原体であることが知られている。本論文では、P. gingivalisが非タンパク質基質、特にモノカルボン酸であるピルビン酸や乳酸、ヒト血清成分をコロニー形成やバイオフィルム形成に利用する代謝的可塑性を示すことを報告する。我々は、ピルビン酸からの炭水化物の同化は、アミノ酸の異化によって駆動されることを示す。同時に、フィンブリア接着剤の発現が上昇し、P. gingivalisによるバイオフィルム形成の促進、多種のバイオフィルム形成の刺激、初代歯肉上皮細胞のコロニー形成と浸潤の増加をもたらすことを明らかにした。これらの研究は、P. gingivalisの代謝的可塑性と宿主ニッチの栄養状態への適応について初めて垣間見るものであった。本研究で得られた知見は、特定の栄養パラメータに応答して、P. gingivalisが宿主のコロニー形成を促進し、病原性コミュニティーの発達を促す可能性があるというモデルを支持するものであった。

Our understanding of how the oral anaerobe Porphyromonas gingivalis can persist below the gum line, induce ecological changes, and promote polymicrobial infections remains limited. P. gingivalis has long been described as a highly proteolytic and asaccharolytic pathogen that utilizes protein substrates as the main source for energy production and proliferation. Here, we report that P. gingivalis displays a metabolic plasticity that enables the exploitation of non-proteinaceous substrates, specifically the monocarboxylates pyruvate and lactate, as well as human serum components, for colonization and biofilm formation. We show that anabolism of carbohydrates from pyruvate is powered by catabolism of amino acids. Concomitantly, the expression of fimbrial adhesion is upregulated, leading to the enhancement of biofilm formation, stimulation of multispecies biofilm development, and increase of colonization and invasion of the primary gingival epithelial cells by P. gingivalis. These studies provide the first glimpse into the metabolic plasticity of P. gingivalis and its adaptation to the nutritional condition of the host niche. Our findings support the model that in response to specific nutritional parameters, P. gingivalis has the potential to promote host colonization and development of a pathogenic community.