Epizootic shell disease induces systemic transcriptomic shifts in Homarus americanus, characterized by increased shell degradation and impaired energy metabolism across organs

국문 초록 (Abstract)

미국 랍스터(Homarus americanus)에서 발생하는 동물유행성 패각병 (Epizootic shell disease, ESD)은 외피 침식, 구멍 생성과 흑변을 특징으로 하 며, 다중 미생물 감염과 연관되어 있다. 이 질병은 수온 상승 및 환경 오염 과 같은 여러 기여 요인이 복합적으로 작용하는 다인성 질환으로, 이러한 요 인들은 세균 침입을 용이하게 하고 숙주의 감수성을 증가시킬 수 있다. 이전 연구에서는 ESD 에 감염된 랍스터의 갑각 마이크로바이옴 구성이 건강한 개 체와 다르며, 녹색샘과 정소에서 질병 관련 세균이 풍부하게 존재함을 발견 했다. 그러나 세균 감염이 내부 장기에 미치는 영향은 명확히 규명되지 않았 다. 본 연구에서는 전사체 분석을 통해 랍스터의 네 가지 주요 기관(정소, 장, 간췌장, 녹색샘)에 대한 ESD 의 영향을 조사하였다. 정소에서는 총 564 개 유전자, 장에서는 105개, 간췌장에서는 333개, 녹색샘에서는 112개 유전자가 차등 발현되었다. 모든 조직에서 항지질다당류 유전자의 발현이 증가하여 세 균 감염에 대한 전신 면역 반응을 시사했다. 특히 키틴 분해 관련 “chitinase” 유전자들은 상향 조절된 반면, 에너지 대사와 관련된 “acetyl- coenzyme A transport 1” 유전자는 생식선에서 하향 조절되었다. 장에서는 각각 포도당 신생합성과 생체이물 대사에 관여하는 “phosphoenolpyruvate carboxykinase cytosolic [GTP]” 및 “cytochrome P450” 유전자의 발현이 감소했다. 간췌장에서는 갑각류의 산소 수송 및 면역 방어에 핵심 역할을 하 는 “hemocyanin” 유전자 발현이 감소했다. 녹색샘에서는 세포 스트레스 반응에 관여하는 “heat shock protein”, 유기 양이온 배설을 매개하는 “organic cation transport protein”, 그리고 당화 및 키틴 생합성에 필요한 “UDP-xylose and UDP-N-acetylglucosamine transport”의 발현이 감소했다. 이러한 전사적 변화들은 종합적으로, 패각 감염에 대한 반응으로 키틴 분해 및 표피 재구성을 촉진하는 동시에 면역 방어, 에너지 대사, 스트레스 반응 과 같은 생리 기능을 저해할 수 있음을 시사한다. 본 연구는 미국 랍스터에 서 ESD 에 대한 조직 특이적 전사체 반응을 규명함으로써 질병 진행의 분자 적 기전을 밝히는 기초를 마련하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Epizootic shell disease induces systemic transcriptomic shifts in Homarus americanus, characterized by increased shell degradation and impaired energy metabolism across organs Epizootic shell disease (ESD) is characterized by shell erosion, pitting, and melanization in the American lobster (Homarus americanus) and is associated with a polymicrobial infection. The disease is multifactorial, with several contributing factors such as rising water temperatures and environmental pollution, which may facilitate bacterial invasion and increase host susceptibility. In a previous study, we found that the microbiome composition of the carapace in lobsters with ESD differed from that of healthy individuals, with ESD-associated bacteria enriched in the green gland and testis. However, the effects of bacterial infection on internal organs have not been clearly identified. In this study, we investigated the effects of ESD on four major organs of the lobster (testis, intestine, hepatopancreas, and green gland) using transcriptomic analysis. A total of 564 genes were differentially expressed in the testis, 105 in the intestine, 333 in the hepatopancreas, and 112 in the green gland. The expression of the “anti-lipopolysaccharide factor” gene was increased in all organs, indicating a systemic immune response to bacterial infection. Notably, “chitinase” genes involved in chitin degradation were upregulated, while the “acetyl-coenzyme A transporter 1-like” gene related to energy metabolism was significantly downregulated in the testis. In the intestine, expression of “phosphoenolpyruvate carboxykinase cytosolic [GTP]” and “cytochrome P450” genes, which are involved in gluconeogenesis and xenobiotic metabolism, respectively, was reduced. The hepatopancreas showed decreased expression of “hemocyanin” genes, which play key roles in oxygen transport and immune defense in crustaceans. The green gland exhibited reduced expression of “heat shock proteins” involved in the cellular stress response, “organic cation transporter proteins” that mediate the excretion of organic cations, and “UDP-xylose and UDP-N-acetylglucosamine transporters” required for glycosylation and chitin biosynthesis. Together, these transcriptional changes suggest that ESD may compromise physiological functions such as immune defense, energy metabolism, and stress response, while promoting chitin degradation and cuticle remodeling in response to shell infection. This study revealed organs-specific transcriptomic responses to ESD in the American lobster, providing a foundation for elucidating the molecular mechanisms underlying disease progression.
Keywords: American lobster, epizootic shell disease, transcriptome analysis, anti- lipopolysaccharide factor, chitinase, polymicrobial infection

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. Introduction 1
• Ⅱ. Materials and Methods 3
• Ⅲ. Results 9
• Ⅳ. Discussion 23
• V. References 28
• 국문초록 33