Vibrio fischeri belongs to the Vibrionaceae, a large family of marine γ-proteobacteria that includes several dozen species known to engage in a diversity of beneficial or pathogenic interactions with animal tissue. Among the small number of pathogenic Vibrio species that cause human diseases are Vibrio cholerae, Vibrio parahaemolyticus , and Vibrio vulnificus , the only members of the Vibrionaceae that have had their genome sequences reported. Nonpathogenic members of the genus Vibrio , including a number of beneficial symbionts, make up the majority of the Vibrionaceae, but none of these species has been similarly examined. Here we report the genome sequence of V. fischeri ES114, which enters into a mutualistic symbiosis in the light organ of the bobtail squid, Euprymna scolopes . Analysis of this sequence has revealed surprising parallels with V. cholerae and other pathogens.

ABSTRACT Oysters naturally harbor the human gastric pathogen Vibrio parahaemolyticus , but the nature of this association is unknown. Because microbial interactions could influence the accumulation of V. parahaemolyticus in oysters, we investigated the composition of the microbiome in water and oysters at two ecologically unique sites in the Great Bay Estuary, New Hampshire using 16s rRNA profiling. We then evaluated correlations between bacteria inhabiting the oyster with V. parahaemolyticus abundance quantified using a most probable number (MPN) analysis. Even though oysters filter-feed, their microbiomes were not a direct snapshot of the bacterial community in overlaying water, suggesting they selectively accumulate some bacterial phyla. The microbiome of individual oysters harvested more centrally in the bay were relatively more similar to each other and had fewer unique phylotypes, but overall more taxonomic and metabolic diversity, than the microbiomes from tributary-harvested oysters that were individually more variable with lower taxonomic and metabolic diversity. Oysters harvested from the same location varied in V. parahaemolyticus abundance, with the highest abundance oysters collected from one location. This study, which to our knowledge is the first of its kind to evaluate associations of V. parahaemolyticus abundance with members of individual oyster microbiomes, implies that sufficient sampling and depth of sequencing may reveal microbiome members that could impact V. parahaemolyticus abundance.

Opioid drugs are potent analgesics that mimic the endogenous opioid peptides, endorphins and enkephalins, by activating the μ-opioid receptor. Opioid use is limited by side effects, including significant risk of opioid use disorder. Improvement of the effect/side effect profile of opioid medications is a key pursuit of opioid research, yet there is no consensus on how to achieve this goal. One hypothesis is that the degree of arrestin-3 recruitment to the μ-opioid receptor impacts therapeutic utility. However, it is not clear whether increased or decreased interaction of the μ-opioid receptor with arrestin-3 would reduce compulsive drug-seeking. To examine this question, we utilized three genotypes of mice with varying abilities to recruit arrestin-3 to the μ-opioid receptor in response to morphine in a novel longitudinal operant self-administration model. We demonstrate that arrestin-3 knockout and wild type mice have highly variable drug-seeking behavior with few genotype differences. In contrast, in mice where the μ-opioid receptor strongly recruits arrestin-3, drug-seeking behavior is much less varied. We created a quantitative method to define compulsivity in drug-seeking and found that mice lacking arrestin-3 were more likely to meet the criteria for compulsivity whereas mice with enhanced arrestin-3 recruitment did not develop a compulsive phenotype. Our data suggest that opioids that engage both G protein and arrestin-3, recapitulating the endogenous signaling pattern, will reduce abuse liability.

Even though eukaryote health relies on beneficial symbionts, host defenses targeting pathogens create substantial obstacles for the establishment of these essential partnerships. To reveal mechanisms of symbiotic adaptation, we experimentally evolved ecologically distinct bioluminescent Vibrio fischeri through Euprymna scolopes squid light organs. Serial passaging of V. fischeri populations through squid hosts produced eight distinct mutations in the binK sensor kinase gene that conferred an exceptional selective advantage demonstrated through both empirical and theoretical analysis. Squid-adaptive binK alleles promoted colonization and immune evasion behavior which was mediated by symbiotic polysaccharide (Syp). binK variation also produced metabolic convergence with native symbionts, and altered quorum sensing and luminescence. Preexisting coordination of symbiosis traits facilitated an efficient solution where altered function of a regulator was the key to unlock multiple colonization barriers. These results identify a genetic basis for microbial adaptability and underscore the importance of hosts as selective agents that shape emergent symbiont populations.

Shellfish-transmitted Vibrio parahaemolyticus infections have recently increased from locations with historically low disease incidence, such as the Northeast United States (US). This change coincided with a bacterial population shift towards human pathogenic variants occurring in part through the introduction of several Pacific native lineages (ST36, ST43 and ST636) to near-shore areas off the Atlantic coast of the Northeast US. Concomitantly, ST631 emerged as a major endemic pathogen. Phylogenetic trees of clinical and environmental isolates indicated that two clades diverged from a common ST631 ancestor, and in each of these clades, a human pathogenic variant evolved independently through acquisition of distinct Vibrio pathogenicity islands (VPaI). These VPaI differ from each other and bear little resemblance to hemolysin-containing VPaI from isolates of the pandemic clonal complex. Clade I ST631 isolates either harbored no hemolysins, or contained a chromosome I-inserted island we call VPaIβ that encodes a type three secretion system (T3SS2β) typical of Trh hemolysin-producers. The more clinically prevalent and clonal ST631 clade II had an island we call VPaIγ that encodes both tdh and trh and that was inserted in chromosome II. VPaIγ was derived from VPaIβ but with some additional acquired elements in common with VPaI carried by pandemic isolates, exemplifying the mosaic nature of pathogenicity islands. Genomics comparisons and amplicon assays identified VPaIγ-type islands containing tdh inserted adjacent to the ure cluster in the three introduced Pacific and most other emergent lineages. that collectively cause 67% of Northeast US infections as of 2016. The availability of three different hemolysin genotypes in the ST631 lineage provided a unique opportunity to employ genome comparisons to further our understanding of the processes underlying pathogen evolution. The fact that two different pathogenic clades arose in parallel from the same potentially benign lineage by independent VPaI acquisition is surprising considering the historically low prevalence of community members harboring VPaI in waters along the Northeast US Coast that could serve as the source of this material. This illustrates a possible predisposition of some lineages to not only acquire foreign DNA but also to become human pathogens. Whereas the underlying cause for the expansion of V. parahaemolyticus lineages harboring VPaIγ along the US Atlantic coast and spread of this element to multiple lineages that underlies disease emergence is not known, this work underscores the need to define the environment factors that favor bacteria harboring VPaI in locations of emergent disease.

Here we describe the genome sequence of

ABSTRACT Bioluminescence in Vibrio fischeri is regulated by a quorum-dependent signaling system composed of LuxI and LuxR. LuxI generates N- 3-oxohexanoyl homoserine lactone (3OC6-HSL), which triggers LuxR to activate transcription of the luxICDABEG operon responsible for bioluminescence. Surprisingly, a ∆ luxI mutant produced more bioluminescence than the wild type in culture. In contrast, a 4 bp duplication within luxI , resulting in a frameshift mutation and null allele, decreased luminescence tenfold. A second signaling system encoded by ainSR affects bioluminescence by increasing levels of LuxR, via the transcriptional activator LitR, and the N- octanoyl homoserine lactone (C8-HSL) signal produced by AinS is considered only a weak activator of LuxR. However, ainS is required for the bright phenotype of the ∆ luxI mutant in culture. When 3OC6-HSL was provided either in the medium or by expression of luxI in trans , all cultures were brighter, but the ∆ luxI mutant remained significantly brighter than the luxI frameshift mutant. Taken together, these data suggest that the enhanced bioluminescence due to the LuxI product 3OC6-HSL counteracts a negative cis -acting regulatory element within the luxI gene and that when luxI is absent the C8-HSL signal is sufficient to induce luminescence. IMPORTANCE The regulation of bioluminescence by Vibrio fischeri is a textbook example of bacterial quorum-dependent pheromone signaling. The canonical regulatory model is that an autoinducer pheromone produced by LuxI accumulates as cells achieve a high density, and this LuxI-generated signal stimulates LuxR to activate transcription of the lux operon that underlies bioluminescence. The surprising observation that LuxI is dispensable for inducing bioluminescence forces a re-evaluation of the role of luxI . More broadly, the results underscore the potential deceptiveness of complex regulatory circuits, particularly those in which bacteria produce multiple related signaling molecules.

ABSTRACT A Pacific native lineage of Vibrio parahaemolyticus ST36 serotype O4:K12 was introduced into the Atlantic, which increased local source illnesses. To identify genetic determinants of virulence and ecological resiliency and track their transfer into endemic populations, we constructed a complete genome of a 2013 Atlantic-traced clinical isolate by hybrid assembly.

Abstract: The epidemiology of Vibrio parahaemolyticus, the leading cause of seafood-borne bacterial gastroenteritis of humans world-wide, dramatically changed in the United States following the establishment of a Pacific native lineage called sequence type (ST) 36 in the Atlantic. In this study we used phylogeography based on traceback to environmental source locations and comparative genomics to identify features that promoted evolution, dispersal, and competitive dominance of ST36. The major genomic differentiation and competitive success of ST36 was associated with a striking succession of filamentous prophage in the family Inoviridae (inoviruses), including loss of an inovirus prophage that had been maintained for decades in the endemic north Pacific population. Subsequently, at least five distinct progenitors arising from this diversification translocated from the Pacific into the Atlantic and established four geographically defined clonal subpopulations with remarkably low migration or mixing. Founders of two prevailing Atlantic subpopulations each acquired new stable and diagnostic inoviruses while other subpopulations that apparently declined did not. Broader surveys indicate inoviruses are common and active among the global population of V. parahaemolyticus and though inovirus replacements, such as in ST36, appear to be infrequent, they are notable in pathogenic lineages that dispersed. Importance: An understanding of the processes that contribute to emergence of pathogens from environmental reservoirs is critical as changing climate precipitates pathogen evolution and population expansion. Phylogeographic analysis of Vibrio parahaemolyticus hosts combined with analysis of their Inoviridae phage resolved ambiguities of diversification dynamics which preceded successful Atlantic invasion by the epidemiologically predominant ST36 lineage. It has been established experimentally that filamentous phage can limit host recombination, but here we show that phage loss is linked to rapid bacterial host diversification during epidemic spread in natural ecosystems alluding to a potential role for ubiquitous inoviruses in the adaptability of pathogens. This work paves the way for functional analyses to define the contribution of inoviruses in the evolutionary dynamics of environmentally transmitted pathogens.

The therapeutic benefits of opioids are compromised by the development of analgesic tolerance, which necessitates higher dosing for pain management thereby increasing the liability for dependence and addiction. Rodent models indicate opposing roles of the gut microbiota in tolerance: morphine-induced gut dysbiosis exacerbates tolerance, whereas probiotics ameliorate tolerance. Not all individuals develop tolerance which could be influenced by differences in microbiota, and yet no study has capitalized upon this natural variation to identify specific features linked to tolerance. We leveraged this natural variation in a murine model of voluntary oral morphine self-administration to elucidate the mechanisms by which microbiota influences tolerance. Although all mice shared similar and predictive morphine-driven microbiota changes that largely masked informative associations with variability in tolerance, our high-resolution temporal analyses revealed a divergence in the progression of dysbiosis that best explained differences in the development in tolerance. Mice that did not develop tolerance also maintained a higher abundance of taxa capable of producing the short-chain fatty acid (SCFA) butyrate, known to bolster intestinal barriers, suppress inflammation, and promote neuronal homeostasis. Furthermore, dietary butyrate supplementation significantly reduced the development of tolerance. These findings could inform immediate therapies to extend the analgesic efficacy of opioids.