Роль полиаминов в регуляции бактериальной персистенции

Авторы

  • А.Г. Ткаченко Институт экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН
  • Е.А. Хаова Институт экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН
  • Н.М. Кашеварова Институт экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН
  • Л.Ю. Нестерова Институт экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН
  • А.В. Ахова Институт экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН
  • Р.Ю. Сидоров Институт экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН
  • И.В. Цыганов Институт экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН

DOI:

https://doi.org/10.7242/2658-705X/2020.2.4

Ключевые слова:

персистенция, антибиотики, толерантность, полиамины, генная экспрессия

Аннотация

На основе использования методов репортерных генных слияний, ПЦР в реальном времени, сопряженной с обратной транскрипцией, а также генных нокаутов показано участие генов стрессорного ответа rpoS, rmf, relA и spoТ в формировании персисторного состояния в клетках периодической культуры Escherichia coli при переходе в стационарную фазу . В этот период уровни экспрессии изученных генов положительно модулируются полиаминами (путресцин, спермидин, кадаверин) пропорционально их концентрации. Таким образом, эффект полиаминов направлен на усиление функции глобальных клеточных регуляторов, участвующих в стрессорных ответах и формировании персисторных клеток. Результаты, полученные в данной работе, могут быть использованы для разработки новых антибактериальных препаратов, а также методов усиления действия традиционных клинических антибиотиков.

Поддерживающие организации
Работа осуществлялась при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 16-44-590279) и выполнена в рамках государственного задания (Тема № 01201353249).

Биографии авторов

  • А.Г. Ткаченко, Институт экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН
    доктор медицинских наук, профессор, заведующий лабораторией адаптации микроорганизмов, Институт экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН - филиал Пермского федерального исследовательского центра УрО РАН (ИЭГМ УрО РАН)
  • Е.А. Хаова, Институт экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН
    аспирант, ИЭГМ УрО РАН
  • Н.М. Кашеварова, Институт экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН
    младший научный сотрудник, ИЭГМ УрО РАН
  • Л.Ю. Нестерова, Институт экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН
    кандидат биологических наук, старший научный сотрудник, ИЭГМ УрО РАН
  • А.В. Ахова, Институт экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН
    кандидат биологических наук, научный сотрудник, ИЭГМ УрО РАН
  • Р.Ю. Сидоров, Институт экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН
    аспирант, ИЭГМ УрО РАН
  • И.В. Цыганов, Институт экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН
    аспирант, ИЭГМ УрО РАН

Библиографические ссылки

  1. Ткаченко А. Молекулярные механизмы стрессорных ответов у микроорганизмов - Екатеринбург: УрО РАН, 2012. - 268 с.
  2. Ткаченко А.Г. Стрессорные ответы бактериальных клеток как механизм развития толерантности к антибиотикам (обзор) // Прикладная биохимия и микробиология. - 2018. - 54 (2). - С. 110-133.
  3. Ткаченко А.Г., Пожидаева О.Н, Шумков М.С. Роль полиаминов в формировании множественной антибиотикоустойчивости Escherichia coli в условиях стрессорных воздействий // Биохимия. - 2006. - 71 (9). - С. 1287-1296.
  4. Ткаченко А.Г., Шумков М.С. Роль путресцина в регуляции уровня σS-субъединицы РНКполимеразы в клетках Escherichia coli при переходе к стационарной фазе // Биохимия. - 2004. - 69(8). - С. 1079-1087.
  5. Ткаченко А.Г., Шумков М.С., Ахова А.В. Путресцин как модулятор содержания σS -субъединицы РНКполимеразы в клетках Escherichia coli при кислотном стрессе // Биохимия. - 2006. - 71(2). - С. 237-246.
  6. Ткаченко А.Г., Шумков М.С., Ахова А.В. Адаптивные функции полиаминов при сублетальных воздействиях антибиотиков // Микробиология. - 2009. - 78(1). С. 32-41.
  7. Agostinelli E., Marques M.P., Calheiros R., Gil F.P., Tempera G., Viceconte N., Battaglia V., Grancara S., Toninello A. Polyamines: fundamental characters in chemistry and biology // Amino Acids. - 2010. - Vol. 38. - № 2. - P. 393-403.
  8. Amarantos I., Zarkadis I.K., Kalpaxis D.L. The identification of spermine binding sites in 16S rRNA allows interpretation of the spermine effect on ribosomal 30S subunit functions // Nucleic Acids Res. - 2002. - Vol. 30. - № 13. - P. 2832-2843.
  9. Amato S.M., Fazen C.H., Henry T.C., Mok W.W., Orman M.A., Sandvik E.L., Volzing K.G., Brynildsen M.P. The role of metabolism in bacterial persistence // Front. Microbiol. - 2014. - Vol. 5. - P. 1-9.
  10. Balaban N.Q., Merrin J., Chait R., Kowalik L., Leibler S. Bacterial Persistence as a Phenotypic Switch // Science. - 2004. - Vol. 305. - № 5690. - P. 1622-1625.
  11. Balaban N.Q., Helaine S., Lewis K., et al. Definitions and guidelines for research on antibiotic persistence // Nature Reviews Microbiology. - 2019. - Vol. 17. - P. 441-448.
  12. Datsenko K.A., Wanner B.L. One-step inactivation of chromosomal genes in Escherichia coli K-12 using PCR products // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. - 2000. - Vol. 97. - № 12. - P. 6640-6645.
  13. Gaca A.O., Colomer-Winter C., Lemos J.A. Many means to a common end: the intricacies of (p)ppGpp metabolism and its control of bacterial homeostasis // Journal of Bacteriology. - 2015. - Vol. 197. - № 7. - P. 1146-1156.
  14. Gollan B., Grabe G., Michaux C., Helaine S. Bacterial persisters and infection: past, present, and progressing // Annu. Rev. Microbiol. - 2019. - Vol. 73. - P. 359-385.
  15. Harms A., Brodersen D.E., Mitarai N., Gerdes K. Toxins, targets, and triggers: an overview of toxinantitoxin biology // Mol. Cell. - 2018. - Vol. 70. - № 5. - P. 768-784.
  16. Hauryliuk V., Atkinson G.C., Murakami K.S., Tenson T., Gerdes K. Recent functional insights into the role of (p)ppGpp in bacterial physiology // Nat. Rev. Micro. - 2015. - Vol. 13. - № 5. - P. 298-309.
  17. Hengge-Aronis R. Recent insights into the general stress response regulatory network in Escherichia coli // J. Mol. Microbiol. Biotechnol. - 2002. - Vol. 4. - № 3. - P. 341-346.
  18. Hirsch M., Elliott T. Stationary-phase regulation of RpoS translation in Escherichia coli // J. Bacteriol. - 2005. - Vol. 187. - № 21. - P. 7204-7213.
  19. Igarashi K., Kashiwagi K. Polyamine Modulon in Escherichia coli: genes involved in the stimulation of cell growth by polyamines // J. Biochem. - 2006. - Vol. 139. - № 1. P. 11-16.
  20. Igarashi K., Kashiwagi K. Characterization of genes for polyamine modulon // Methods Mol. Biol. - 2011. - Vol. 720. - P. 51-65.
  21. Izutsu K., Wada A., Wada C. Expression of ribosome modulation factor (RMF) in Escherichia coli requires ppGpp // Genes Cells. - 2001. - Vol. 6. - № 8. - P. 665-676.
  22. Keren I., Kaldalu N., Spoering A., Wang Y., Lewis K. Persister cells and tolerance to antimicrobials // FEMS Microbiol. Lett. - 2004. - Vol. 230. - № 1. - P. 13-18.
  23. Kim J.-S., Wood T.K. Persistent Persister Misperceptions // Frontiers in Microbiology. - 2016. - Vol. 7. - 2134.
  24. Lewis K. Persister cells // Annu. Rev. Microbiol. - 2010. - Vol. 64. - № 15. - P. 357-372.
  25. Maisonneuve E., Gerdes K. Molecular Mechanisms Underlying Bacterial Persisters // Cell. - 2014. - Vol. 157. - № 3. - P. 539-548.
  26. Miller J.H. Experiments in molecular genetics - Cold Spring Harbor Laboratory: New York, 1972. - Vol. 60.
  27. Radzikowski J.L., Vedelaar S., Siegel D., Ortega A.D., Schmidt A., Heinemann M. Bacterial persistence is an active sigmaS stress response to metabolic flux limitation // Mol. Syst. Biol. - 2016. - Vol. 12. - № 9. - 882.
  28. Rhee H.J., Kim E.J., Lee J.K. Physiological polyamines: simple primordial stress molecules // Journal of Cellular and Molecular Medicine. - 2007. - Vol. 11. - № 4. - P. 685-703.
  29. Ruijter J.M., Ramakers C., Hoogaars W.M., Karlen Y., Bakker O., van den Hoff M.J., Moorman A.F. Amplification efficiency: linking baseline and bias in the analysis of quantitative PCR data // Nucleic Acids Res. - 2009. - Vol. 37. - № 6. - e45.
  30. Schellhorn H.E. Elucidating the function of the RpoS regulon // Future Microbiol. - 2014. - Vol. 9. - № 4. - P. 497-507.
  31. Simons, R.W., Houman F., Kleckner N. Improved single and multicopy lac-based cloning vectors for protein and operon fusions // Gene. - 1987. - Vol. 53. - № 1. - P. 85-96.
  32. Terui Y., Akiyama M., Sakamoto A., Tomitori H., Yamamoto K., Ishihama A., Igarashi K. Kashiwagi K. Increase in cell viability by polyamines through stimulation of the synthesis of ppGpp regulatory protein and omega protein of RNA polymerase in Escherichia coli // Int. J. Biochem. Cell. Biol. - 2012. - Vol. 44. - № 2. - P. 412-422.
  33. Tkachenko A.G., Nesterova L.Y., Pshenichnov M. The role of the natural polyamine putrescine in defense against oxidative stress in Escherichia coli // Arch. Microbiol. - 2001. - Vol. 176. - № 1-2. - P. 155-157.
  34. Tkachenko A.G., Kashevarova N.M., Karavaeva E.A., Shumkov M.S. Putrescine controls the formation of Escherichia coli persister cells tolerant to aminoglycoside netilmicin // FEMS Microbiol. Lett. - 2014. - Vol. 361. - P. 25-33.
  35. Tkachenko A.G., Kashevarova N.M., Tyuleneva E.A., Shumkov M.S. Stationary-phase genes upregulated by polyamines are responsible for the formation of Escherichia coli persister cells tolerant to netilmicin // FEMS Microbiol. Lett. - 2017. - Vol. 364. - № 9. - fnx084.
  36. Wada A. Growth phase coupled modulation of Escherichia coli ribosomes // Genes Cells. - 1998. - Vol. 3. - № 4. - P. 203-208.
  37. Windels E.M., Michiels J.E., Fauvart M., Wenseleers T., Van den Bergh B., Michiels J. Bacterial persistence promotes the evolution of antibiotic resistance by increasing survival and mutation rates // Isme. J. - 2019. - Vol. 13. - № 5. - P. 1239-1251.
  38. Yoshida H., Maki Y., Furuike S., Sakai A., Ueta M., Wada A. YqjD is an inner membrane protein associated with stationary-phase ribosomes in Escherichia coli // J. Bacteriol. - 2012. - Vol. 194. - № 16. - P. 4178-4183.

Загрузки

Опубликован

2020-07-22

Выпуск

№ 2 (2020)

Раздел

Исследования: теория и эксперимент

Как цитировать

Ткаченко, А., Хаова, Е., Кашеварова, Н., Нестерова, Л., Ахова, А., Сидоров, Р., & Цыганов, И. (2020). Роль полиаминов в регуляции бактериальной персистенции. Вестник Пермского федерального исследовательского центра, 2, 36-47. https://doi.org/10.7242/2658-705X/2020.2.4