Mechanisms of enhanced healthspan of Caenorhabditis elegans by Lysinibacillus sphaericus, a soil microbe

Abstract

Caenorhabditis elegans, originally isolated from soil, is a nematode used in host-microbe interaction research. While bacterial pathogens responsible for human infections have been actively studied in C. elegans, very few bacterial species that provide beneficial effects on C. elegans have been reported. Here, we tested several bacterial soil isolates and further characterized the effects of Lysinibacillus sphaericus on C. elegans growth-related phenotypes. Worms fed with L. sphaericus lived significantly longer than those growing with typical E. coli OP50. Early larval stage growth was also highly stimulated by L. sphaericus. In addition, significantly elevated fertilization was observed in worms fed with L. sphaericus. Furthermore, growth with L. sphaericus resulted in the production of larger numbers of progeny than the control growth with OP50. Worms grown with L. sphaericus were highly resistant to oxidative, osmotic and infection stresses. Together, our results reveal a novel mode of growth that involves healthy aging of nematodes. And we further investigate molecular basis of such abnormal growth-associated phenotypes induced by feeding L. sphaericus. Microarray analysis demonstrates that transcription of fat-7 gene encoding a fatty acid desaturase was remarkably increased in L. sphaericus- vs. OP50-fed worms, thereby suggesting that fatty acid metabolism is likely altered by feeding on L. sphaericus. A fat-7 mutant of N2 strain still exhibited a L. sphaericus-induced lifespan extension. Of note, however, lifespan extension was not observed in an N2 mutant defective in both fat-7 and fat-6 genes, suggesting that these two genes play an essential and redundant role in L. sphaericus-induced robust growth phenotypes. C. elegans fatty acid content analysis indicated that (i) total fatty acid level was ~35% increased in L. sphaericus- vs. OP50-fed worms and (ii) poly-unsaturated fatty acids (PUFAs) were particularly increased in L. sphaericus-fed worms. Fatty acid content analysis using two different bacterial preys shows that L. sphaericus cells do not contain fatty acids in worm’s PUFA synthesis chain, while lioleic acid is present in OP50 cells. Linoleic acid is synthesized by FAT-2 from oleic acid, which is product of FAT-6 and FAT-7. The growth of the fat-6(tm331);fat-7(wa36) double mutant worm was arrested at L1 stage when fed with oleic acid-lacking L. sphaericus. In contrast, the same growth arrest was released when oleic acid or linoleic acid is supplemented in the media, demonstrating that the supply of oleic acid or linoleic acid, either as an extraneous food source or by enzymatic conversion is essential for worm’s growth. Together, our results suggest that L. sphaericus-induced robust growth is mediated by changes in fatty acid metabolism and oleic acid and linoleic acid are key determinants for extended lifespan and accelerated development in C. elegans.

토양에서 분리된 예쁜꼬마선충은 숙주-미생물 상호작용 연구에 활발히 사용되어 왔다. 인간에게 감염을 일으키는 병원균의 연구에 특히 많이 사용되어 선충에 이로운 세균에 대한 연구는 거의 진행되지 않았다. 우리는 토양에서 직접 분리해낸 Lysinibacillus sphaericus 가 선충의 수명과 성장에 영향을 주는 것을 확인하였다. L. sphaericus 를 먹인 선충은 선충의 기본적인 먹이인 대장균 OP50을 먹인 선충보다 더 오래 살고, 그 성장도 빨라지는 것을 확인할 수 있었다. 또한, L. sphaericus 를 먹인 선충이 더 많은 수의 자손을 낳으며, 다양한 스트레스에 저항을 가진 것도 확인하였다. 이어서 이러한 효과들의 요인을 찾고자 microarray 를 실행하였고, 선충의 지방산 불포화효소를 암호화하는 유전자 중 하나인 fat-7 이 L. sphaericus 를 먹인 선충에게서 발현이 크게 증가되어 있음을 발견하여 지방산 대사가 관련이 있을 것으로 판단하였다. FAT-7 은 FAT-6 이라는 동일한 역할을 하는 효소를 가지고 있고 fat-7 과 fat-6 이 동시에 기능을 잃은 선충의 돌연변이에서만 L. sphaericus 에 의한 수명증가의 효과가 없어지는 것으로 이 두개의 유전자가 중요한 역할을 하고 있음을 알 수 있었다. L. sphaericus 를 먹인 선충은 전체 지방산도 OP50을 먹인 선충에 비해 35% 정도 증가하였고 다불포화지방산도 늘어난 것을 확인하였다. 그러나 세균의 지방산 분석 결과, L. sphaericus 자체는 선충의 다불포화지방산 합성과 관련된 지방산을 전혀 가지고 있지 않은 반면에 OP50은 리놀레산을 가지고 있었다. 리놀레산은 FAT-2 에 의해 올레산으로부터 만들어지는 지방산이며, 올레산은 FAT-6 와 FAT-7 에 의한 만들어지는 지방산이다. 이는 fat-6 와 fat-7 이 기능을 잃은 돌연변이 선충이 L. sphaericus 를 먹이면 L1 시기에서 더 이상 성장하지 않는데 반해 OP50을 먹게 되면 정상적으로 성장하는 것을 설명해준다. 올레산과 리놀레산을 배지에 첨가하여도 OP50을 먹인 것과 같이 정상적으로 성장하며 이는 선충이 직...