actabiomedicaActa Biomedica ScientificaActa Biomedica Scientifica2541-94202587-9596Scientific Centre for Family Health and Human Reproduction Problems10.29413/ABS.2022-7.3.17actabiomedica-3563Research ArticleМИКРОБИОЛОГИЯ И ВИРУСОЛОГИЯMICROBIOLOGY AND VIRUSOLOGYРоль алармона (p)ppGpp в регуляции образования индола клетками Escherichia coli в зависимости от содержания глюкозыRole of alarmone (p)ppGpp in the regulation of indole formation depending on glucose content in Escherichia colihttps://orcid.org/0000-0003-3751-8156КашевароваН. М.KashevarovaN. M.

 младший научный сотрудник лаборатории адаптации микроорганизмов

 614081, г. Пермь, ул. Голева, 13, Россия 

 Junior Research Officer at the Laboratory of Microbial Adaptation 

Goleva str. 13, Perm 614081, Russian Federation 

nkashev@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3477-750XАховаА. В.AkhovaA. V.

 кандидат биологических наук, научный сотрудник лаборатории адаптации микроорганизмов

 614081, г. Пермь, ул. Голева, 13, Россия 

 Cand. Sc. (Biol.), Research Officer at the Laboratory of Microbial Adaptation 

Goleva str. 13, Perm 614081, Russian Federation 

akhovan@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4457-2652ХаоваЕ. А.KhaovaE. A.

 лаборант лаборатории адаптации микроорганизмов

 614081, г. Пермь, ул. Голева, 13, Россия 

 Laboratory Assistant at the Laboratory of Microbial Adaptation 

Goleva str. 13, Perm 614081, Russian Federation 

akkuzina-elena510@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8631-8583ТкаченкоА. Г.TkachenkoA. G.

 доктор медицинских наук, заведующий лабораторией адаптации микроорганизмов

 614081, г. Пермь, ул. Голева, 13, Россия 

 Dr. Sc. (Med.), Head of the Laboratory of Microbial Adaptation 

 Goleva str. 13, Perm 614081, Russian Federation 

agtkachenko@iegm.ru«Институт экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН» – филиал ФГБУН Пермского федерального исследовательского центра УрО РАНInstitute of Ecology and Genetics of Microorganisms, Ural Branch Russian Academy of Sciences20220507202273162168Copyright © Кашеварова Н.М., Ахова А.В., Хаова Е.А., Ткаченко А.Г., 20222022Кашеварова Н.М., Ахова А.В., Хаова Е.А., Ткаченко А.Г.Kashevarova N.M., Akhova A.V., Khaova E.A., Tkachenko A.G.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.actabiomedica.ru/jour/article/view/3563

Сигнальные молекулы индол (продукт катаболизма триптофана) и (p)ppGpp (регулятор стринджент-ответа) принимают участие в регуляции физиологических процессов, направленных на адаптацию бактериальных клеток к антибиотикам и стрессам. Однако вопрос о существовании связи между стринджент-ответом и индукцией синтеза индола требует более детального изучения.Цель работы. Изучить влияние регулятора стринджент-ответа (p)ppGpp на продукцию индола клетками Escherichia coli в зависимости от содержания глюкозы в среде.Материалы и методы. В данной работе исследована динамика накопления индола в периодических культурах родительского штамма E. coli BW25141 ((p)ppGpp+ штамм) и делеционного мутанта BW25141∆relA∆spoT ((p)ppGpp0 штамм) в глюкозо-минеральной среде М9, не содержащей триптофана, а также с добавкой 2 мМ триптофана. С целью изучения эффекта стресса голодания на способность бактериальных клеток синтезировать индол использовали модель лимитирования роста углеродным субстратом при двух концентрациях глюкозы – 0,1 % и 0,4 %.Результаты. Показано, что отсутствие (p)ppGpp в клетках E. coli снижает их способность продуцировать индол в бестриптофановой среде и значительно замедляет скорость его накопления в среде, содержащей триптофан. Низкое содержание глюкозы (0,1 %) приводит к снижению образования индола клетками в среде, не содержащей триптофана. Наличие в среде предшественника синтеза индола триптофана, напротив, увеличивает продукцию индола в условиях добавки более низкой концентрации глюкозы как в (p)ppGpp+, так и в (p)ppGpp0 штаммах, демонстрируя прямую зависимость времени задержки начала образования индола от концентрации глюкозы, более выраженную в культуре мутанта, не способного к синтезу (p)ppGpp. Полученные данные интерпретируются нами как результат комплексного регуляторного воздействия механизма катаболитной репрессии и стринджент-ответа, вызванного действием алармона (p)ppGpp, на уровень экспрессии tnaCAB оперона, ответственного за биосинтез индола.

 Signaling molecules such as indole (product of tryptophan catabolism) and (p)ppGpp (stringent response regulator) are involved in regulation of physiological processes in bacterial cells aimed to adapt to antibiotics and stresses. However, question of existence of relationship between the stringent response and indole signaling requires more detailed investigation.The aim. To study effect of stringent response regulator (p)ppGpp on indole production in Escherichia coli depending on glucose content.Materials and methods. In this work, we studied the dynamics of indole accumulation in batch cultures of parent E. coli BW25141 ((p)ppGpp+ strain) and deletion mutant BW25141∆relA∆spoT ((p)ppGpp0 strain) in glucose-mineral tryptophan-free M9 medium, as well as with 2 mM tryptophan addition. In order to study effect of starvation stress on bacterial cell ability to synthesize indole, we used a model of growth limitation by carbon substrate at two glucose concentrations, 0.1 % and 0.4 %.Results. We have shown here that (p)ppGpp absence in E. coli cells reduces their ability to produce indole in the tryptophan-free medium and significantly slows down the rate of its accumulation in the tryptophan-containing one. Low glucose concentration (0.1 %) leads to decrease in indole production by (p)ppGpp+ cells in the tryptophan-free medium. The presence of indole synthesis precursor, tryptophan, in growth medium, on the contrary, increases the production of indole at lower glucose concentration in both (p)ppGpp+ and (p)ppGpp0 strains demonstrating direct dependence of delay time for onset of indole formation on glucose content, which is more pronounced in the culture of deletion mutant unable of synthesizing (p) ppGpp. The data obtained can be interpreted as result of complex regulatory effect of catabolic repression and the stringent response caused by alarmone (p)ppGpp action on expression level of tnaCAB operon responsible for indole biosynthesis.

индол(p)ppGppтриптофантриптофаназаглюкозаEscherichia colirelAspoTадаптацияindole(p)ppGpptryptophantryptophanaseglucoseEscherichia colirelAspoTadaptationРабота выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ (АААА-А19-119112290009-1).ReferencesKim J, Park W. Indole: A signaling molecule or a mere metabolic byproduct that alters bacterial physiology at a high concentration? J Microbiol. 2015; 53(7): 421-428. doi: 10.1007/s12275-015-5273-3Kim J, Park W. Indole: A signaling molecule or a mere metabolic byproduct that alters bacterial physiology at a high concentration? J Microbiol. 2015; 53(7): 421-428. doi: 10.1007/s12275-015-5273-3Vega N, Allison K, Khalil A, Collins J. Signaling-mediated bacterial persister formation. Nat Chem Biol. 2012; 8(5): 431-433. doi: 10.1038/nchembio.915Vega N, Allison K, Khalil A, Collins J. Signaling-mediated bacterial persister formation. Nat Chem Biol. 2012; 8(5): 431-433. doi: 10.1038/nchembio.915Potrykus K, Cashel M. (p)ppGpp: Still magical?Annu Rev Microbiol. 2008; 62: 35-51. doi: 10.1146/annurev.micro.62.081307.162903Potrykus K, Cashel M. (p)ppGpp: Still magical?Annu Rev Microbiol. 2008; 62: 35-51. doi: 10.1146/annurev.micro.62.081307.162903Korch SB, Henderson TA, Hill TM. Characterization of the hipA7 allele of Escherichia coli and evidence that high persistence is governed by (p)ppGpp synthesis. Mol Microbiol. 2003; 50(4): 1199-1213. doi: 10.1046/j.1365-2958.2003.03779.xKorch SB, Henderson TA, Hill TM. Characterization of the hipA7 allele of Escherichia coli and evidence that high persistence is governed by (p)ppGpp synthesis. Mol Microbiol. 2003; 50(4): 1199-1213. doi: 10.1046/j.1365-2958.2003.03779.xHauryliuk V, Atkinson GC, Murakami KS, Tenson T, Gerdes K. Recent functional insights into the role of (p)ppGpp in bacterial physiology. Nat Rev Microbiol. 2015; 13(5): 298-309. doi: 10.1038/nrmicro3448Hauryliuk V, Atkinson GC, Murakami KS, Tenson T, Gerdes K. Recent functional insights into the role of (p)ppGpp in bacterial physiology. Nat Rev Microbiol. 2015; 13(5): 298-309. doi: 10.1038/nrmicro3448Wood TK, Song S. Forming and waking dormant cells: The ppGpp ribosome dimerization persister model. Biofilm. 2020; 2: 100018. doi: 10.1016/j.bioflm.2019.100018Wood TK, Song S. Forming and waking dormant cells: The ppGpp ribosome dimerization persister model. Biofilm. 2020; 2: 100018. doi: 10.1016/j.bioflm.2019.100018Atkinson GC, Tenson T, Hauryliuk V. The RelA/SpoT Homolog (RSH) superfamily: Distribution and functional evolution of ppGpp synthetases and hydrolases across the tree of life. PLoS One. 2011; 6(8): e23479. doi: 10.1371/journal.pone.0023479Atkinson GC, Tenson T, Hauryliuk V. The RelA/SpoT Homolog (RSH) superfamily: Distribution and functional evolution of ppGpp synthetases and hydrolases across the tree of life. PLoS One. 2011; 6(8): e23479. doi: 10.1371/journal.pone.0023479Srivatsan A, Wang J. Control of bacterial transcription, translation and replication by (p)ppGpp. Curr Opin Microbiol. 2008; 11(2): 100-105. doi: 10.1016/j.mib.2008.02.001Srivatsan A, Wang J. Control of bacterial transcription, translation and replication by (p)ppGpp. Curr Opin Microbiol. 2008; 11(2): 100-105. doi: 10.1016/j.mib.2008.02.001Liu S, Wu N, Zhang S, Yuan Y, Zhang W, Zhang Y. Variable persister gene interactions with (p)ppGpp for persister formation in Escherichia coli. Front Microbiol. 2017; 8: 1795. doi: 10.3389/fmicb.2017.01795Liu S, Wu N, Zhang S, Yuan Y, Zhang W, Zhang Y. Variable persister gene interactions with (p)ppGpp for persister formation in Escherichia coli. Front Microbiol. 2017; 8: 1795. doi: 10.3389/fmicb.2017.01795Zarkan A, Liu J, Matuszewska M, Gaimster H, Summers DK. Local and universal action: The paradoxes of indole signalling in bacteria. Trends Microbiol. 2020; 28(7): 566-577. doi: 10.1016/j.tim.2020.02.007Zarkan A, Liu J, Matuszewska M, Gaimster H, Summers DK. Local and universal action: The paradoxes of indole signalling in bacteria. Trends Microbiol. 2020; 28(7): 566-577. doi: 10.1016/j.tim.2020.02.007Sanchez-Vazquez P, Dewey CN, Kitten N, Ross W, Gourse RL. Genome-wide effects on Escherichia coli transcription from ppGpp binding to its two sites on RNA polymerase. Proc Natl Acad Sci USA. 2019; 116(17): 8310-8319. doi: 10.1073/pnas.1819682116Sanchez-Vazquez P, Dewey CN, Kitten N, Ross W, Gourse RL. Genome-wide effects on Escherichia coli transcription from ppGpp binding to its two sites on RNA polymerase. Proc Natl Acad Sci USA. 2019; 116(17): 8310-8319. doi: 10.1073/pnas.1819682116Datsenko KA, Wanner BL. One-step inactivation of chromosomal genes in Escherichia coli K-12 using PCR products. Proc Natl Acad Sci USA. 2000; 97(12): 6640-6645. doi: 10.1073/pnas.120163297Datsenko KA, Wanner BL. One-step inactivation of chromosomal genes in Escherichia coli K-12 using PCR products. Proc Natl Acad Sci USA. 2000; 97(12): 6640-6645. doi: 10.1073/pnas.120163297Kim D, Sitepu IR, Hashidokoa Y. Induction of biofilm formation in the betaproteobacterium Burkholderia unamae CK43B exposed to exogenous indole and gallic acid. Appl Environ Microbiol. 2013; 79(16): 4845-4852. doi: 10.1128/AEM.01209-13Kim D, Sitepu IR, Hashidokoa Y. Induction of biofilm formation in the betaproteobacterium Burkholderia unamae CK43B exposed to exogenous indole and gallic acid. Appl Environ Microbiol. 2013; 79(16): 4845-4852. doi: 10.1128/AEM.01209-13Han TH, Lee JH, Cho MH, Wood TK, Lee J. Environmental factors affecting indole production in Escherichia coli. Res Microbiol. 2011; 162(2): 108-116. doi: 10.1016/j.resmic.2010.11.005Han TH, Lee JH, Cho MH, Wood TK, Lee J. Environmental factors affecting indole production in Escherichia coli. Res Microbiol. 2011; 162(2): 108-116. doi: 10.1016/j.resmic.2010.11.005Hu M, Zhang C, Mu Y, Shen Q, Feng Y. Indole affects biofilm formation in bacteria. Indian J Microbiol. 2010; 50(4): 362-368. doi: 10.1007/s12088-011-0142-1Hu M, Zhang C, Mu Y, Shen Q, Feng Y. Indole affects biofilm formation in bacteria. Indian J Microbiol. 2010; 50(4): 362-368. doi: 10.1007/s12088-011-0142-1Isaacs HJr, Chao D, Yanofsky C, Saier MHJr. Mechanism of catabolite repression of tryptophanase synthesis in Escherichia coli. Microbiology. 1994; 140(8): 2125-2134. doi: 10.1099/13500872-140-8-2125Isaacs HJr, Chao D, Yanofsky C, Saier MHJr. Mechanism of catabolite repression of tryptophanase synthesis in Escherichia coli. Microbiology. 1994; 140(8): 2125-2134. doi: 10.1099/13500872-140-8-2125Stewart V, Yanofsky C. Evidence for transcription antitermination control of tryptophanase operon expression in Escherichia coli K-12. J Bacteriol. 1985; 164(2): 731-740. doi: 10.1128/jb.164.2.731-740.1985Stewart V, Yanofsky C. Evidence for transcription antitermination control of tryptophanase operon expression in Escherichia coli K-12. J Bacteriol. 1985; 164(2): 731-740. doi: 10.1128/jb.164.2.731-740.1985Amato SM, Orman MA, Brynildsen MP. Metabolic control of persister formation in Escherichia coli. Mol Cell. 2013; 50(4): 475-487. doi: 10.1016/j.molcel.2013.04.002Amato SM, Orman MA, Brynildsen MP. Metabolic control of persister formation in Escherichia coli. Mol Cell. 2013; 50(4): 475-487. doi: 10.1016/j.molcel.2013.04.002

The authors declare that there are no conflicts of interest present.