The role of human nasal commensal Staphylococcus epidermidis in inducing Serpine1 and depleting Polyamines to suppress Influenza A virus infection = Serpine1 유도와 Polyamines 고갈을 통한 인간 비강 공생균 Staphylococcus epidermidis의 인플루엔자 A 바이러스 감염 억제 역할

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Staphylococcus epidermidis is one of the most abundant commensal bacteria inhabiting healthy human mucosa, including the respiratory tract. Considering that the respiratory microbiota is closely associated with host immune responses, this study aimed to elucidate the mechanisms by which nasal S. epidermidis suppresses influenza A virus (IAV) infection. The S. epidermidis strain used in this study was isolated from the nasal mucus of healthy individuals. In vitro experiments with cultured human nasal epithelial cells and in vivo studies using an acute IAV-infected C57BL/6 mouse model revealed that inoculation with S. epidermidis induced serpine1 expression in the nasal mucosa. The induced Serpine1 inhibited serine proteases, thereby preventing IAV penetration into the nasal epithelium and limiting its dissemination to the lungs. Furthermore, Metabolomic analysis using a UPLC-MS/MS system showed that S. epidermidis reduced the levels of polyamines, including putrescine, spermidine, and spermine, in normal human nasal epithelial cells. S. epidermidis increased the activity of enzymes converting arginine to ornithine, decreased the activity of enzymes converting ornithine to putrescine, and induced enzymes responsible for exporting spermidine and spermine. These findings suggest that S. epidermidis may create a polyamine-depleted cellular environment in the nasal epithelium, thereby restricting influenza virus replication. In conclusion, the human nasal commensal bacterium S. epidermidis suppresses viral activity and protects against IAV invasion by inducing Serpine1-mediated inhibition of serine proteases, while also regulating the metabolic environment of the nasal mucosa to limit IAV replication. This highlights its critical role as a microbial regulator of host defense and its potential as a basis for microbiota-derived therapeutic strategies against influenza infection.

국문 초록 (Abstract)

Staphylococcus epidermidis는 호흡기를 포함한 건강한 인간 점막에 가장 풍부하게 서식하는 공생 세균 중 하나이다. 최근 호흡기 미생물군이 숙주의 면역반응과 밀접하게 연관되어 있다는 사실이 밝혀지면서, 공생 미생물이 호흡기 바이러스 감염에 미치는 영향에 대한 관심이 높아지고 있다. 본 연구는 비강 내 S. epidermidis가 인플루엔자 A 바이러스(Influenza A virus, IAV) 감염을 억제하는 분자적 기전을 규명하고자 하였다. 본 연구에 사용된 S. epidermidis 균주는 건강한 사람의 비강 점액에서 분리되었다. 인간 비강 상피세포를 이용한 in vitro 실험과 급성 IAV 감염 C57BL/6 생쥐 모델을 이용한 in vivo 연구를 통해, S. epidermidis 접종이 비강 점막에서 serine protease inhibitor인 serpine1의 발현을 유도함을 확인하였다. 이러한 결과는 S. epidermidis가 비강 상피세포 내 단백질분해효소 환경을 조절함으로써 바이러스 침입을 억제하고, 숙주의 항바이러스 선천 면역반응을 강화한다는 것을 시사한다. 본 연구는 비강 공생균이 숙주의 항바이러스 방어 기전에 기여할 수 있음을 보여주며, 향후 호흡기 바이러스 감염 예방 및 치료를 위한 새로운 미생물 기반 치료 전략 개발에 기초 자료를 제공할 수 있다. 유도된 Serpine1은 세린 프로테아제(serine protease)를 억제함으로써 인플루엔자 A 바이러스(IAV)의 비강 상피 침투를 방지하고, 폐로의 확산을 제한하였다. 또한 UPLC-MS/MS 시스템을 활용한 대사체(메타볼로믹스) 분석 결과, Staphylococcus epidermidis는 정상 인간 비강 상피세포에서 푸트레신(putrescine), 스퍼미딘(spermidine), 스퍼민(spermine) 등 폴리아민(polyamine)의 농도를 감소시키는 것으로 나타났다. 구체적으로, S. epidermidis는 아르지닌(arginine)을 오르니틴(ornithine)으로 전환하는 효소 활성을 증가시키는 반면, 오르니틴을 푸트레신으로 전환하는 효소 활성을 억제하였으며, 스퍼미딘과 스퍼민을 세포 외로 수출하는 효소를 유도하였다. 이러한 결과는 S. epidermidis가 비강 상피 내 폴리아민이 고갈된 세포 환경을 조성하여 인플루엔자 바이러스의 증식을 제한할 수 있음을 시사한다. 결론적으로, 인간 비강의 공생균인 S. epidermidis는 Serpine1 매개 세린 프로테아제 억제를 통해 바이러스 침입을 차단하고, 동시에 비강 점막의 대사 환경을 조절하여 IAV 증식을 억제함으로써 숙주 방어 기전의 중요한 조절자로 작용한다. 이는 S. epidermidis가 인플루엔자 감염에 대한 미생물 기반 치료 전략 개발의 유망한 표적이 될 수 있음을 보여준다.

목차 (Table of Contents)

• Introduction 6
• Methods 9
• Results 16
• Discussion 73
• References 77
• Abstract in Korean 81