Diversity and evolution of flagellins: insights from free-living and host-associated microbial environments with a focus on the human gut

Abstract

Flagellin ist eine Schlüsselkomponente des bakteriellen Flagellums. Es ist eine molekulare Struktur, die für die bakterielle Motilität wesentlich ist. In Wirten wird Flagellin von Rezeptoren des angeborenen Immunsystems erkannt. In Tieren erfüllen Toll-like receptor 5 (TLR5) und NAIP5/NLRC4 diese Funktion, während bei Pflanzen Flagellin-Sensing receptor 2 (FLS2) und Flagellin-Sensing receptor 3 (FLS3) für die Erkennung von Flagellin zuständig sind. Bislang haben sich Studien des Flagellins vor allem auf Pathogene konzentriert und weitgehend die Vielfalt von Flagellin bei Interaktionen zwischen Wirt-Mikrobe und den kommensalen Bakterien vernachlässigt. Meine Forschungsgruppe hat festgestellt, dass das Flagellin FlaB von Roseburia hominis, einem Kommensalen des Darms, trotz starker TLR5-Bindung ein schwacher TLR5-Agonist ist. Dieses phänotypische Merkmal nennen wir „stille Erkennung“ durch TLR5. Diese Entdeckung deutet auf eine bisher unerforschte Variationsbreite von Flagellinen und deren Interaktionen mit dem Wirt hin. Darüber hinaus sind die Verteilung und Entwicklung der Diversität von Flagellin in natürlichen mikrobiellen Umgebungen nach wie vor unklar. Ziel dieser Arbeit ist es daher, die Muster der Vielfalt und Evolution von Flagellinen in freilebenden und wirtsassoziierten Lebensräumen zu identifizieren. Für diese Forschung habe ich öffentlich verfügbare Flagellin-Sequenzen verwendet und profilierte Flagellin-Gemeinschaften in 785 metagenomischen Proben, die freilebende und wirtsassoziierte Umgebungen umfassen. Zusätzlich habe ich Anreicherungsanalysen durchgeführt und Codon-Evolutionsmodelle implementiert, um allgegenwärtige und episodische positive Selektion zu erkennen. Folglich entdeckte ich, dass freilebende Umgebungen eine größere Vielfalt an Flagellin-Genen aufweisen als wirtsassoziierte Umgebungen. Außerdem unterscheidet die Flagellin-Zusammensetzung Biome, insbesondere in freilebenden und tierassoziierten Proben. Darüber hinaus entdeckte ich verschiedene Flagellin-Kategorien, die in jedem Biom angereichert waren. Zudem fand ich Hinweise auf eine allgegenwärtige negative Selektion und eine episodische positive Selektion, die auf den konservierten Domänen dieser angereicherten Flagelline stattfand. Diese Selektionssignaturen waren überall in den Regionen vorhanden, die mit Wirtsrezeptoren interagieren. Ihr Standort war jedoch nicht mit dem Lebensraum verbunden. Aufbauend auf der Charakterisierung freilebender und wirtsassoziierter Umgebungen strebte ich zunächst Flagellinen in menschlichen Darmmetagenomen zu charakterisieren, um die Beziehung zwischen ihrer Evolutionsgeschichte und ihrer Art der Interaktion mit TLR5 zu untersuchen. Unter Verwendung öffentlich verfügbarer Flagellinsequenzen habe ich Flagellingemeinschaften für 270 menschliche Darmmetagenome profiliert und Homologiesuchen durchgeführt. Dementsprechend konnte ich zwischen vorhergesagten stimulierenden und stillen Flagellinen unterscheiden. Meine Ergebnisse zeigten, dass der Großteil des Flagellins im menschlichen Darm von Mitgliedern der Familie Lachnospiraceae (Firmicutes) kodiert wird. Zudem weisen 45 % der mutmaßlichen stillen Flagellinen den vorhergesagten Phänotyp auf und die stille Art der Interaktion bei nicht verwandten Flagellenbakterien weit verbreitet ist. Diese Arbeit erweitert unser Verständnis der Flagellin-Ökologie in freilebenden und wirtsassoziierten Umgebungen. Darüber hinaus liefert es Einblicke in die Rolle der natürlichen Selektion bei der Diversifizierung von Flagellin zwischen Bakterien. Schließlich wird ein strukturierter Rahmen für die Formulierung wichtiger Hypothesen geschaffen, die zukünftige Untersuchungen von Flagellin-vermittelten Wirt-Mikroben-Interaktionen vorantreiben werden.

Flagellin is a key component of the bacterial flagellum, a molecular structure essential for bacterial motility. In hosts, flagellin is recognized by receptors of the innate immune system: Toll-like receptor 5 (TLR5), and NAIP5/NLRC4 in animals, and Flagellin-Sensing receptor 2 (FLS2), Flagellin-Sensing receptor 3 (FLS3) in plants. To date, the study of flagellins has primarily focused on pathogens, largely neglecting flagellin diversity in the context of host-microbe interactions with commensal bacteria. My research group recently revealed that flagellin FlaB from Roseburia hominis, a gut commensal, is a weak TLR5 agonist, despite strong TLR5 binding, a phenotype we named 'silent recognition' by TLR5. This discovery hints at an unexplored diversity of flagellins and their mode of interaction with the host. Moreover, the distribution and evolution of flagellin diversity throughout natural microbial environments remains unclear. Thus, this work aims to identify patterns of diversity and evolution in flagellins associated with free-living and host-associated habitats. I used publicly available flagellin sequences to profile flagellin communities in 785 metagenomic samples encompassing free-living and host-associated environments, performed enrichment analyses, and implemented codon models of evolution to detect pervasive and episodic positive selection. I found that free-living environments comprise a higher diversity of flagellin genes than host-associated environments, and that flagellin composition differentiates biomes, particularly in free-living and animal-associated samples. Moreover, I discovered different flagellin categories that were enriched in each biome, as well as evidence of pervasive negative selection and episodic positive selection occurring on the conserved domains of these enriched flagellins. These signatures of selection were consistently present around the regions interacting with host receptors. However, their location was not associated with the habitat. Building upon the characterization of free-living and host-associated environments, I then aimed to characterize flagellins in human gut metagenomes to probe the relationship between their evolutionary history and their mode of interaction with TLR5. Using publicly available flagellin sequences, I profiled flagellin communities for 270 human gut metagenomes and performed homology searches to differentiate between predicted stimulatory and silent flagellins. My results indicated that the majority of flagellin in the human gut is encoded by members of the Lachnospiraceae family (Firmicutes), that 45% of the putative silent flagellins exhibited the predicted phenotype, and that the silent mode of interaction is widespread across unrelated flagellated bacteria. This work expands our understanding of flagellin ecology in free-living and host-associated environments. Moreover, it provides insights into the role of natural selection in the diversification of flagellin across bacteria. Finally, it establishes a structured framework for formulating important hypotheses that will drive future explorations of flagellin-mediated host-microbe interactions.