Регуляторный эффект полиаминов и индола на экспрессию генов адаптации к стрессу у Escherichia coli

Индол и полиамины участвуют в регуляции физиологических процессов у бактерий, связанных с адаптацией к стрессам, биоплёнкообразованием, антибиотикоустойчивостью, бактериальной персистенцией, что имеет важное клиническое значение. Однако молекулярные мишени и механизм действия этих метаболитов до сих пор мало изучены. В данной работе исследовано влияние полиаминов и индола на экспрессию таких генов, как: rpoS, relA и spoT, кодирующих регуляторы общего стрессорного ответа и голодания; hns и stpA, кодирующих глобальные регуляторы генной экспрессии; rmf, yqjD, hpf, raiA, rsfS, sra, ettA, кодирующих факторы гибернации рибосом.
Цель исследования. Изучить регуляторные эффекты полиаминов и индола на экспрессию перечисленных генов, ответственных за адаптацию Escherichia coli к стрессу.
Материалы и методы. В качестве объектов исследования использовали штаммы E. coli. Содержание полиаминов исследовали методом тонкослойной хроматографии. Концентрацию индола определяли методом высокоэффективной жидкостной хроматографии. Генную экспрессию изучали при помощи ПЦР в реальном времени, сопряжённой с обратной транскрипцией.
Результаты. Добавка полиаминов путресцина, кадаверина и спермидина в среду стимулировала экспрессию всех исследуемых генов. Для большинства генов наибольшая стимуляция наблюдалась в стационарной фазе роста. Наиболее значительное влияние оказывали путресцин и спермидин. Показана эквимолярная конвертация экзогенного триптофана в индол через 24 ч культивирования. В это время увеличивалась экспрессия двух генов: rmf и raiA.
Заключение. Нами показано, что полиамины стимулируют экспрессию всех исследуемых генов на транскрипционном уровне, при этом их стимулирующий эффект специфичен по фазе культивирования и типу полиамина. Индол оказывает положительный эффект на экспрессию генов rmf и raiA, тогда как остальные из исследованных генов не подвержены его регуляторным воздействиям.

1. Ткаченко А.Г. Молекулярные механизмы стрессорных ответов у микроорганизмов. Екатеринбург, 2012.

2. Tabor CW, Tabor H. Polyamines in microorganisms. Microbiol Rev. 1985; 49(1): 81-99. doi: 10.1128/mr.49.1.81-99.1985

3. Kusano T, Berberich T, Tateda C, Takahashi Y. Polyamines: Essential factors for growth and survival. Planta. 2008; 228(3): 367-381. doi: 10.1007/s00425-008-0772-7

4. Miller-Fleming L, Olin-Sandoval V, Campbell K, Ralser M. Remaining mysteries of molecular biology: The role of polyamines in the cell. J Mol Biol. 2015; 427(21): 3389-3406. doi: 10.1016/j.jmb.2015.06.020

5. Igarashi K, Kashiwagi K. Modulation of cellular function by polyamines. Int J Biochem Cell Biol. 2010; 42(1): 39-51. doi: 10.1016/j.biocel.2009.07.009

6. Igarashi K, Kashiwagi K. Effects of polyamines on protein synthesis and growth of Escherichia coli. J Biol Chem. 2018; 293(48): 18702-18709. doi: 10.1074/jbc.TM118.003465

7. Igarashi K, Ito K, Kashiwagi K. Polyamine uptake systems in Escherichia coli. Res Microbiol. 2001; 152(3-4): 271-278. doi: 10.1016/s0923-2508(01)01198-6

8. Agostinelli E, Marques MP, Calheiros R, Gil FP, Tempera G, Viceconte N, et al. Polyamines: Fundamental characters in chemistry and biology. Amino Acids. 2010; 38(2): 393-403. doi: 10.1007/s00726-009-0396-7

9. Zarkan 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.2020.02.007

10. Нестерова Л.Ю., Ахова А.В., Ткаченко А.Г. Влияние индола на содержание клеточных полиаминов и антибиотикочувствительность Escherichia coli. Вестник Московского университета. Серия 16. Биология. 2021; 76(4): 219-224.

11. Tkachenko AG, Nesterova LY. Polyamines as modulators of gene expression under oxidative stress inEscherichia coli.Biochemistry (Mosc). 2003; 68(8): 850-856. doi: 10.1023/a:1025790729797

12. Tkachenko AG, Shumkov MS, Akhova AV. Putrescine as a modulator of the level of RNA polymerase sigma S subunit in Escherichia coli cells under acid stress. Biochemistry (Mosc). 2006; 71(2): 185-193. doi: 10.1134/s0006297906020118

13. Tkachenko AG, Kashevarova NM, Karavaeva EA, Shumkov MS. Putrescine controls the formation of Escherichia coli persister cells tolerant to aminoglycoside netilmicin. FEMS Microbiol Lett. 2014; 361(1): 25-33. doi: 10.1111/1574-6968.12613

14. Tkachenko AG, Kashevarova NM, Tyuleneva EA, Shumkov MS. Stationary-phase genes upregulated by polyamines are responsible for the formation of Escherichia coli persister cells tolerant to netilmicin. FEMS Microbiol Lett. 2017; 364(9): fnx084. doi: 10.1093/femsle/fnx084

15. Shah P, Swiatlo E. A multifaceted role for polyamines in bacterial pathogens. Mol Microbiol. 2008; 68(1): 4-16. doi: 10.1111/j.1365-2958.2008.06126.x

16. Lang M, Krin E, Korlowski C, Sismeiro O, Varet H, Coppée JY, et al. Sleeping ribosomes: Bacterial signaling triggers RaiA mediated persistence to aminoglycosides. iScience. 2021; 24(10): 103128. doi: 10.1016/j.isci.2021.103128

17. Magnusson LU, Farewell A, Nyström T. ppGpp: A global regulator in Escherichia coli. Trends Microbiol. 2005;13(5): 236-242. doi: 10.1016/j.tim.2005.03.008

18. Hauryliuk 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/nrmicro3448

19. Bougdour A, Gottesman S. ppGpp regulation of RpoS degradation via anti-adaptor protein IraP. Proc Natl Acad Sci USA. 2007; 104(31): 12896-12901. doi: 10.1073/pnas.0705561104

20. Hengge-Aronis R. Signal transduction and regulatory mechanisms involved in control of the sigma(S) (RpoS) subunit of RNA polymerase. Microbiol Mol Biol Rev. 2002a; 66(3): 373-395. doi: 10.1128/MMBR.66.3.373-395.2002

21. Hengge-Aronis R. Stationary phase gene regulation: What makes an Escherichia coli promoter sigmaS-selective? Curr Opin Microbiol. 2002b; 5(6): 591-595. doi: 10.1016/s1369-5274(02)00372-7

22. Williams RM, Rimsky S. Molecular aspects of the E. coli nucleoid protein, H-NS: A central controller of gene regulatory networks. FEMS Microbiol Lett. 1997; 156(2): 175-185. doi: 10.1111/j.1574-6968.1997.tb12724.x

23. Johansson J, Eriksson S, Sondén B, Wai SN, Uhlin BE. Heteromeric interactions among nucleoid-associated bacterial proteins: localization of StpA-stabilizing regions in H-NS of Escherichia coli. J Bacteriol. 2001; 183(7): 2343-2347. doi: 10.1128/JB.183.7.2343-2347.2001

24. Prossliner T, Skovbo Winther K, Sørensen MA, Gerdes K. Ribosome hibernation. Annu Rev Genet. 2018; 52: 321-348. doi: 10.1146/annurev-genet-120215-035130

25. Datsenko KA, Wanner BL. One-step inactivation of chromosomal genes in Escherichia coli K-12 using PCR products. Proc Natl Acad Sci U S A. 2000; 97(12): 6640-6645. doi: 10.1073/pnas.120163297

26. Tabor H, Hafner EW, Tabor CW. Construction of an Escherichia coli strain unable to synthesize putrescine, spermidine, or cadaverine: Characterization of two genes controlling lysine decarboxylase. J Bacteriol. 1980; 144(3): 952-956. doi: 10.1128/jb.144.3.952-956.1980

27. Ruijter JM, Ramakers C, Hoogaars WM, Karlen Y, Bakker O, van den Hoff MJ, et al. Amplification efficiency: Linking baseline and bias in the analysis of quantitative PCR data. Nucleic Acids Res. 2009; 37(6): e45. doi: 10.1093/nar/gkp045

28. Rhee HJ, Kim EJ, Lee JK. Physiological polyamines: Simple primordial stress molecules. J Cell Mol Med. 2007; 11(4): 685-703. doi: 10.1111/j.1582-4934.2007.00077.x

29. Lightfoot HL, Hall J. Endogenous polyamine function – the RNA perspective. Nucleic Acids Res. 2014; 42(18): 11275-11290. doi: 10.1093/nar/gku837

30. Dorman CJ. H-NS: A universal regulator for a dynamic genome. Nat Rev Microbiol. 2004; 2(5): 391-400. doi: 10.1038/nrmicro883

31. Fang FC, Rimsky S. New insights into transcriptional regulation by H-NS. Curr Opin Microbiol. 2008; 11(2): 113-120. doi: 10.1016/j.mib.2008.02.011

32. Free A, Dorman CJ. The Escherichia coli stpA gene is transiently expressed during growth in rich medium and is induced in minimal medium and by stress conditions. J Bacteriol. 1997; 179(3): 909-918. doi: 10.1128/jb.179.3.909-918.1997

33. Wada A. Growth phase coupled modulation of Escherichia coli ribosomes. Genes Cells. 1998; 3(4): 203-208. doi: 10.1046/j.1365-2443.1998.00187.x

34. Polikanov YS, Blaha GM, Steitz TA. How hibernation factors RMF, HPF, and YfiA turn off protein synthesis. Science. 2012; 336(6083): 915-918. doi: 10.1126/science.1218538

35. Agafonov DE, Kolb VA, Nazimov IV, Spirin AS. A protein residing at the subunit interface of the bacterial ribosome. Proc Natl Acad Sci U S A. 1999; 96(22): 12345-12349. doi: 10.1073/pnas.96.22.12345

36. Li G, Young KD. Indole production by the tryptophanase TnaA in Escherichia coli is determined by the amount of exogenous tryptophan. Microbiology (Reading). 2013; 159(Pt 2): 402-410. doi: 10.1099/mic.0.064139-0

37. Gaimster H, Cama J, Hernández-Ainsa S, Keyser UF, Summers DK. The indole pulse: A new perspective on indole signalling in Escherichia coli. PLoS One. 2014; 9(4): e93168. doi: 10.1371/journal.pone.0093168