Intrahepatic Colonization by Klebsiella pneumoniae Drives Host Cellular Dysfunction in Metabolic Dysfunction-Associated Steatohepatitis = 대사기능장애 연관 지방간염에서 간내 Klebsiella pneumoniae 집락화의 병리적 역할 규명

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Metabolic dysfunction–associated steatohepatitis (MASH), a progressive subtype of metabolic dysfunction–associated steatotic liver disease, is characterized by steatosis, inflammation, and fibrosis, yet the contribution of microbes residing directly within the liver remains unclear despite growing evidence implicating gut microbiota dysbiosis in disease progression. To address this gap, I performed metatranscriptomic analyses of dietary mouse MASH models (GSE167264) and human liver RNA-seq datasets (GSE126848 and GSE135251), classifying unmapped reads with Kraken2/Bracken, assessing microbial abundance and alpha diversity, and validating intrahepatic localization by immunohistochemistry. I further examined correlations between microbial abundance and host gene expression and conducted Gene Ontology enrichment on genes positively correlated with Klebsiella pneumoniae (Kp). Kp abundance was significantly increased in both murine and human MASH samples, with hepatocellular and perivascular localization confirmed histologically. Although global microbial diversity did not differ markedly between groups, consistent MASH-associated compositional shifts were observed. Host genes positively correlated with Kp were enriched in pathways related to negative regulation of MAPK signaling, intracellular calcium homeostasis, protein dephosphorylation, and GPCR–PLC signaling, indicating activation of inflammatory, metabolic, and ER stress–related responses. Collectively, these findings demonstrate that intrahepatic Kp is a conserved feature across species and may contribute to hepatocellular injury and fibrosis by amplifying inflammatory and metabolic stress pathways, highlighting intrahepatic microbial signatures as potential targets for therapeutic intervention in chronic liver disease.

국문 초록 (Abstract)

연구배경 및 목적: 대사이상 지방간염은 지방간, 염증, 섬유화를 특징으로 하는 대사이상 지방간질환의 진행형 아형이다. 기존 연구는 장–간 축을 통한 장내 미생물 불균형에 초 점을 두었으나, 간 조직 내에 직접 존재하는 미생물의 역할은 명확히 규명되지 않았다.
본 연구는 대사이상 지방간염에서의 간내 미생물 변화 양상을 파악하고, 이러한 미생물과 숙주 유전자 발현 간의 연관성을 분석하고자 하였다.
방법: 식이 기반 마우스 대사이상 지방간염 모델과 인간 간 전사체 데이터를 활용하여 메 타전사체 분석을 수행하였다. 전사체에서 정렬되지 않은 리드(unmapped reads)를 Kraken2/Bracken으로 분류하여, 미생물 상대적 풍부도를 확인하였다. 면역조직화학을 통 해 간 내 Klebsiella pneumoniae의 분포를 확인하였고, 해당 미생물의 풍부도와 양의 상 관을 보이는 숙주 유전자에 대해 기능 분석을 수행하였다.
결과: Klebsiella pneumoniae는 대사이상 지방간염을 가진 마우스와 인간 모두에서 유의하 게 증가하였으며, 간세포 및 혈관주위 부위에서 양성 신호가 확인되었다. 전체 미생물 다 양성은 큰 차이가 없었으나, 대사이상 지방간염 관련 조성 변화가 일관되게 관찰되었다.
Klebsiella pneumoniae와 양의 상관을 보이는 숙주 유전자들은 MAPK 조절, 칼슘 항상성, 단백질 탈인산화, GPCR–PLC 신호 관련 경로에서 유의하게 풍부해졌다. 이는 염증 반응, 세포 스트레스 조절, 및 섬유화 촉진 과정과 밀접하게 연관된 것으로 알려져 있다.
결론: 본 연구는 간 조직 내 Klebsiella pneumoniae가 종을 넘어 보존된 병리학적 특징임 을 제시하며, 염증 및 대사 스트레스 경로를 증폭시켜 간세포 손상과 섬유화를 촉진할 가 능성을 시사한다. 간내 미생물 표적 치료는 만성 간질환의 새로운 치료 전략으로 활용될 수 있을 것이다.

목차 (Table of Contents)

• Introduction 1
• Material and methods 4
• Experimental animals 4
• Human tissues 4
• Tissue collection and histological analysis 4
• Immunohistochemistry 5
• Database-downloaded Samples 5
• Quality control and data preparation for analysis 10
• Identification and quantification of the microbiome: Kraken2/Bracken 10
• Alpha diversity & relative abundance 10
• Differential expression analysis 11
• Correlation analysis 11
• Gene ontology (GO) enrichment analysis 12
• Results 13
• Increased relative abundance of Klebsiella pneumoniae in the liver tissues of MASH patients 13
• Histological evidence and intrahepatic localization of Klebsiella pneumoniae in murine and human livers 16
• Klebsiella pneumoniaeassociated host gene expression signatures and pathway enrichment in MASH 19
• Discussion and future directions 21
• References 24
• Korean abstract 27