Abstract Vibrio coralliilyticus ( Vcor ) is a pathogen of coral and shellfish, leading to devastating economic and ecological consequences worldwide. Although rising ocean temperatures correlate with increased Vcor pathogenicity, the specific molecular mechanisms and determinants contributing to virulence remain poorly understood. Here, we systematically analyzed the type VI secretion system (T6SS), a contact-dependent toxin delivery apparatus, in Vcor . We identified two omnipresent T6SSs that are activated at temperatures in which Vcor becomes virulent; T6SS1 is an antibacterial system mediating interbacterial competition, whereas T6SS2 mediates anti-eukaryotic toxicity and contributes to mortality during infection of an aquatic model organism, Artemia salina . Using comparative proteomics, we identified the T6SS1 and T6SS2 toxin arsenals of three Vcor strains with distinct disease etiologies. Remarkably, T6SS2 secretes at least nine novel anti-eukaryotic toxins comprising core and accessory repertoires. We propose that T6SSs differently contribute to Vcor ’s virulence: T6SS2 plays a direct role by targeting the host, while T6SS1 plays an indirect role by eliminating competitors. Author Summary Coral reefs are diverse ecosystems providing habitats for various fish, invertebrates, and microorganisms. Climate change, leading to rising ocean water temperatures, correlates with coral bleaching and mass mortality events. An implicated causal agent of coral disease outbreaks is the marine bacterium Vibrio coralliilyticus . Here, we found that two toxin injection systems present in all Vibrio coralliilyticus strains are regulated by temperature; we revealed the toxins that they secrete and their function in competition against rival bacteria and in the intoxication of an animal host. Our findings implicate these systems as previously unappreciated contributors to Vibrio coralliilyticus virulence, illuminating possible targets to treat or prevent coral infection.

Abstract The quorum-sensing regulon in vibrios is controlled by the LuxR/HapR family of transcriptional regulators. In Vibrio vulnificus , this regulator is called SmcR, and it controls expression of numerous virulence behaviors, including biofilm formation and elastase production. The consensus binding site of Vibrio LuxR/HapR/SmcR proteins is palindromic, as is common for regulators that bind as dimers with helix-turn-helix N-terminal DNA binding domains. However, the LuxR/HapR/SmcR consensus site is highly degenerate and asymmetric with variations in sequence at each promoter. To determine the mechanism of DNA site recognition, we generated separation-of-function mutants of SmcR that either repress or activate transcription but not both. The SmcR N55I protein is defective at transcription activation due to loss of binding to most DNA binding sites in activated promoters but retains interaction with RNA polymerase (RNAP) alpha. SmcR S76A, L139R, and N142D are defective for interaction with RNAP alpha but retain functional DNA binding activity. Using X-ray crystallography, we show that the wild-type SmcR dimer and the three RNAP-interaction mutants exhibit two conformations of the helix-turn-helix DNA binding domain. Conversely, the SmcR N55I X-ray crystal structure is limited to only one conformation and is restricted in recognition of single base-pair variations in DNA binding site sequences. These data support a model in which two mechanisms drive SmcR transcriptional activation: interaction with RNA polymerase and a multi-conformational DNA binding domain that permits recognition of variable DNA sites. Thus, the LuxR/HapR/SmcR proteins balance specificity for quorum-sensing targets and diversity to accommodate binding at hundreds of sites genome-wide. Significance The cell-cell communication system called quorum sensing controls expression of genes required for virulence in Vibrio bacteria species, including the potent human pathogen Vibrio vulnificus . The master transcriptional regulator of quorum-sensing genes in vibrios belongs to the LuxR/HapR/SmcR family. These regulators directly activate and repress transcription of >100 genes via binding to degenerate sites in promoter regions. We used X-ray crystallography to determine the structure of mutant SmcR proteins. Our experiments reveal that SmcR recognizes diverse sequences via a DNA binding domain that samples multiple conformations to accommodate variations in palindromic DNA sequences. Significantly, the DNA binding domain of SmcR is completely conserved in LuxR/HapR/SmcR family proteins, suggesting that this mechanism is representative of quorum-sensing regulation in other vibrios.

Summary Vibrio campbellii is a Gram-negative bacterium that is free-living and ubiquitous in marine environments, and it is a pathogen of fish and shellfish. Swimming motility via a single polar flagellum is a critical virulence factor in V. campbellii pathogenesis, and disruption of the flagellar motor significantly decreases host mortality. To examine V. campbellii flagellar gene regulation, we identified homologs of flagellar and chemotaxis genes conserved in other members of the Vibrionaceae and determined the transcriptional profile of these loci using differential RNA-seq. We systematically deleted all 63 predicted flagellar and chemotaxis genes in V. campbellii and examined their effects on motility and flagellum production. We specifically focused on the core flagellar regulators of the flagellar regulatory hierarchy established in other Vibrios : RpoN (σ 54 ), FlrA, FlrC, and FliA. Our results show that V. campbellii transcription of flagellar and chemotaxis genes is governed by a multi-tiered regulatory hierarchy similar to other motile Vibrio species but with two critical differences: the σ 54 -dependent regulator FlrA is dispensable for motility, and Class II gene expression is independent of σ 54 regulation. Our genetic and phenotypic dissection of the V. campbellii flagellar regulatory network highlights the differences that have evolved in flagellar regulation across the Vibrionaceae .

Abstract The marine facultative pathogen Vibrio cholerae forms complex multicellular communities on the chitinous shells of crustacean zooplankton in its aquatic reservoir. V. cholerae -chitin interactions are critical for the growth, evolution, and waterborne transmission of cholera. This is due, in part, to chitin-induced changes in gene expression in this pathogen. Here, we sought to identify factors that influence chitin-induced expression of one locus, the chitobiose utilization operon ( chb ), which is required for the uptake and catabolism of the chitin disaccharide. Through a series of genetic screens, we identified that the master regulator of quorum sensing, HapR, is a direct repressor of the chb operon. We also found that the levels of HapR in V. cholerae are regulated by the ClpAP protease. Furthermore, we show that the canonical quorum sensing cascade in V. cholerae regulates chb expression in a HapR-dependent manner. Through this analysis we found that signaling via the species-specific autoinducer CAI-1, but not the inter-species autoinducer AI-2, influences chb expression. This phenomenon of species-specific regulation may enhance the fitness of this pathogen in its environmental niche. Importance In nature, bacteria live in multicellular and multispecies communities. Microbial species can sense the density and composition of their community through chemical cues using a process called quorum sensing (QS). The marine pathogen Vibrio cholerae is found in communities on the chitinous shells of crustaceans in its aquatic reservoir. V. cholerae interactions with chitin are critical for the survival, evolution, and waterborne transmission of this pathogen. Here, we show that V. cholerae uses QS to regulate the expression of one locus required for V. cholerae -chitin interactions.

Abstract CRISPRi (Clustered Regularly Interspaced Palindromic Repeats interference) is a gene knockdown method that uses a deactivated Cas9 protein (dCas9) that binds a specific gene target locus dictated by an encoded guide RNA (sgRNA) to block transcription. Mobile-CRISPRi is a suite of modular vectors that enable CRISPRi knockdowns in diverse bacteria by integrating IPTG-inducible dcas9 and sgRNA genes into the genome using Tn 7 transposition. Here, we show that the Mobile-CRISPRi system functions robustly and specifically in multiple Vibrio species: Vibrio cholerae, Vibrio fischeri, Vibrio vulnificus, Vibrio parahaemolyticus , and Vibrio campbellii . We demonstrate efficacy by targeting both essential and non-essential genes that function to produce defined, measurable phenotypes: bioluminescence, quorum sensing, cell division, and growth arrest. We anticipate that Mobile-CRISPRi will be used in Vibrio species to systematically probe gene function and essentiality in various behaviors and native environments.

Vibrio coralliilyticus is a pathogen of coral and shellfish, leading to devastating economic and ecological consequences worldwide. Although rising ocean temperatures correlate with increased V . coralliilyticus pathogenicity, the specific molecular mechanisms and determinants contributing to virulence remain poorly understood. Here, we systematically analyzed the type VI secretion system (T6SS), a contact-dependent toxin delivery apparatus, in V . coralliilyticus . We identified 2 omnipresent T6SSs that are activated at temperatures in which V . coralliilyticus becomes virulent; T6SS1 is an antibacterial system mediating interbacterial competition, whereas T6SS2 mediates anti-eukaryotic toxicity and contributes to mortality during infection of an aquatic model organism, Artemia salina . Using comparative proteomics, we identified the T6SS1 and T6SS2 toxin arsenals of 3 V . coralliilyticus strains with distinct disease etiologies. Remarkably, T6SS2 secretes at least 9 novel anti-eukaryotic toxins comprising core and accessory repertoires. We propose that T6SSs differently contribute to V . coralliilyticus ’s virulence: T6SS2 plays a direct role by targeting the host, while T6SS1 plays an indirect role by eliminating competitors.

The type III secretion system (T3SS) is a needle-like complex used by numerous bacterial pathogens in host infection by directly injecting exotoxins into the host cell cytoplasm, leading to cell death. The T3SS is a known virulence factor in the shrimp pathogen

Summary Vibrio campbellii BB120 (previously classified as Vibrio harveyi ) is a fundamental model strain for studying quorum sensing in vibrios. A phylogenetic evaluation of sequenced Vibrio strains in Genbank revealed that BB120 is closely related to the environmental isolate V. campbellii DS40M4. We exploited DS40M4’s competence for exogenous DNA uptake to rapidly generate >30 isogenic strains with deletions of genes encoding BB120 quorum-sensing system homologs. Our results show that the quorum-sensing circuit of DS40M4 is distinct from BB120 in three ways: 1) DS40M4 does not produce an acyl homoserine lactone autoinducer but encodes an active orphan LuxN receptor, 2) the quorum regulatory small RNAs (Qrrs) are not solely regulated by autoinducer signaling through the response regulator LuxO, and 3) the DS40M4 quorum-sensing regulon is much smaller than BB120 (~100 genes vs ~400 genes, respectively). Using comparative genomics to expand our understanding of quorum-sensing circuit diversity, we observe that conservation of LuxM/LuxN proteins differs widely both between and within Vibrio species. These strains are also phenotypically distinct: DS40M4 exhibits stronger interbacterial cell killing, whereas BB120 forms more robust biofilms and is bioluminescent. These results underscore the need to examine wild isolates for a broader view of bacterial diversity in the marine ecosystem. Originality-Significance Statement Wild bacterial isolates yield important information about traits that vary within species. Here, we compare environmental isolate Vibrio campbellii DS40M4 to its close relative, the model strain BB120 that has been a fundamental strain for studying quorum sensing for >30 years. We examine several phenotypes that define this species, including quorum sensing, bioluminescence, and biofilm formation. Importantly, DS40M4 is naturally transformable with exogenous DNA, which allows for the rapid generation of mutants in a laboratory setting. By exploiting natural transformation, we genetically dissected the functions of BB120 quorum-sensing system homologs in the DS40M4 strain, including two-component signaling systems, transcriptional regulators, and small RNAs.

ABSTRACT Many bacteria use quorum sensing to control changes in lifestyle. The process is regulated by microbially derived “autoinducer” signalling molecules, that accumulate in the local environment. Individual cells sense autoinducer abundance, to infer population density, and alter their behaviour accordingly. In Vibrio cholerae , quorum sensing signals are transduced by phosphorelay to the transcription factor LuxO. Unphosphorylated LuxO permits expression of HapR, which alters global gene expression patterns. In this work, we have mapped the genome-wide distribution of LuxO and HapR in V. cholerae . Whilst LuxO has a small regulon, HapR targets 32 loci. Many HapR targets coincide with sites for the cAMP receptor protein (CRP) that regulates the transcriptional response to carbon starvation. This overlap, also evident in other Vibrio species, results from similarities in the DNA sequence bound by each factor. At shared sites, HapR and CRP simultaneously contact the double helix and binding is stabilised by direct interaction of the two factors. Importantly, this involves a CRP surface that usually contacts RNA polymerase to stimulate transcription. As a result, HapR can block transcription activation by CRP. Thus, by interacting at shared sites, HapR and CRP integrate information from quorum sensing and cAMP signalling to control gene expression. This likely allows V. cholerae to regulate subsets of genes during the transition between aquatic environments and the human host.