Roles of oipA phase variation in virulence phenotype and association of cag pathogenicity island in Helicobacter pylori clinical isolates

Abstract

The Outer Inflammatory Protein A (OipA) in Helicobacter pylori has been identified as a critical virulence factor that induces inflammation in the host's gastric mucosa. The expression of the oipA gene is regulated by phase variation, allowing clinical H. pylori isolates to switch between 'on' and 'off' states of oipA gene expression. This study aims to elucidate the impact of oipA phase variation on the virulence phenotype and its relationship with other essential virulence determinants in clinical H. pylori isolates. We analyzed 18 oipA on and 22 oipA off H. pylori clinical isolates from the USA to assess their virulence phenotype. oipA on isolates consistently demonstrated high levels of interleukin-8 induction (16/18), gastrin expression (16/18), and cell elongation (16/18) in infected AGS cells, whereas oipA off isolates showed significantly lower levels of Interleukin-8 (1/22), gastrin expression (1/22), and cell elongation (1/22). Moreover, a majority of the oipA on isolates expressed CagA (16/18) and translocated the CagA into host cells (14/18), indicating a higher virulence potential. These phenotypic distinctions suggested a differential presence of cag pathogenicity island (cagPAI) between the two groups. Subsequent PCR analysis revealed that oipA on isolates predominantly (16/18) harbored cagPAI genes, while the majority of oipA off isolates (20/22) lacked. Comparative genomic analysis of selected 20 strains identified that oipA on isolates possessed intact cagPAI and further harbored a unique set of 10 genes whereas, oipA off isolates were negative for cagPAI and further carried 28 distinct genes. To expand its association between oipA phase variation and cagPAI to diverse geographic regions, global genome analysis was performed using 613 H. pylori genome sequences available in the database and showed the strong association between oipA status and presence or absence of cagPAI in geographic regions of hpEurope, hpEastAsia, and hpAfrica1. The results of this research emphasize the critical role of oipA in regulating the virulence of Helicobacter pylori. Specifically, this oipA phase variation influences bacterial virulence by modulating the presence or absence of the cagPAI. This regulation underscores a significant mechanistic pathway through which oipA phase variation can dictate the pathogenicity of H. pylori, thereby impacting host-pathogen interactions and influencing disease outcomes.

H. pylori의 Outer Inflammatory Protein A(OipA)는 숙주의 위 점막에서 염증을 유발하는 중요한 독성 인자로 확인되었습니다. oipA 유전자의 발현은 위상 변이에 의해 조절되어 임상 H. pylori 분리체가 oipA 유전자 발현의 '켜짐' 상태와 '꺼짐' 상태 사이를 전환할 수 있도록 합니다. 이 연구는 독성 표현형에 대한 oipA 위상 변이의 영향과 임상 H.pylori 분리체에서 다른 필수 독성 결정 요인과의 관계를 밝히는 것을 목표로 합니다. 우리는 미국에서 18개의 oipA ‘on’과 22개의 oipA ‘off’- H. pylori 임상 분리체를 분석하여 독성 표현형을 평가했습니다. oipA ‘on’ 분리체가 감염된 AGS 세포에서 IL-8induction (16/18), gastrin expression (16/18) 및 cell elongation (16/18)의 높은 수준을 일관되게 나타냈습니다. oipA off 분리체는 상당히 낮은 수준의 IL-8 (1/22), gastrin expression (1/22) 및 cell elongation (1/22)을 나타냈습니다. 게다가, oipA ‘on’ 분리체의 대다수는 CagA(16/18)를 발현하고 CagA를 숙주 세포(14/18)로 전위시켰는데, 이는더 높은 독성 가능성을 나타냅니다. 이러한 표현형 차이는 두 그룹 사이에 cagPAI가 다르게 존재함을 시사했습니다. 후속 PCR 분석 결과, oipA on 분리체에는 주로(16/18) cagPAI 유전자가 포함되어 있는 반면, 대부분의 oipA off 분리체(20/22)에는 부족한 것으로 나타났습니다. 선택된 20종의 비교 게놈 분석을 통해 oipA on 분리체는 온전한 cagPAI를 보유하고 추가로 10개의 유전자로 구성된 고유한 세트를 보유하고 있는 반면, oipA off 분리체는 cagPAI에 대해 음성이었고 추가로 28개의 별개의 유전자를 운반하는 것으로 확인되었습니다. oipA 위상 변이와 cagPAI 사이의 연관성을 다양한 지리적 영역으로 확장하기 위해 데이터베이스에서 사용 가능한 613개의 H. pylori 게놈 서열을 사용하여 전체 게놈 분석을 수행했습니다. 이는 hpEurope, hpEastAsia 및 hpAfrica1의 지리적 지역에서 oipA 위상 변이 상태와 cagPAI의 유무 사이의 강한 연관성을 보여주었습니다. 이 연구의 결과는 H. pylori의 독성을 조절하는 데 있어 oipA의 중요한 역할을 강조합니다. 특히, 이 oipA 위상 변이는 cagPAI의 존재 또는 부재를 조절하여 세균 독성에 영향을 미칩니다. 이 조절은 oipA 위상 변이가 H. pylori의 병원성을 지시하여 숙주-병원체 상호 작용에 영향을 미치고 질병 결과에 영향을 미칠 수 있는 중요한 기계론적 경로를 강조합니다.