Экспрессия генов soxRS-регулона в клетках бактерий, подвергнутых действию различных стресс-факторов

Актуальность. В формирование устойчивости бактерий к антибиотикам вносят вклад различные адаптивные механизмы, в том числе гены защитного ответа на окислительный стресс, объединённые в soxRSрегулон. В стрессовых условиях в клетках бактерий происходит повышение продукции активных форм кислорода и развитие окислительного стресса. Можно предположить, что повышенный уровень активных форм кислорода будет активировать экспрессию генов soxRS-регулона, что может обеспечить преадаптацию бактерий к воздействию антибиотиков.

Цель. Исследовать изменение экспрессии генов, входящих в soxRS-регулон, в клетках Escherichia coli, подвергнутых действию NaCl, повышенных температур и уксусной кислоты.

Материалы и методы. Уровень экспрессии генов определяли с использованием штаммов E. coli, несущих репортерные генные слияния промотора исследуемого гена (soxS, nfo) со структурной частью гена lacZ, в условиях периодического культивирования в бульоне LB без перемешивания.

Результаты. Активацию экспрессии генов soxRS-регулона вызывало воздействие NaCl и уксусной кислоты, а тепловой шок сопровождался снижением генной экспрессии. Увеличение уровня экспрессии наблюдалось в клетках, подвергнутых стрессам низкой (не вызывавшим снижения количества колониеобразующих единиц в культуре к четвёртому часу воздействия по сравнению с началом стрессового воздействия) и средней интенсивности (вызывавшим снижение количества колониеобразующих единиц на порядок), а стрессовые воздействия высокой интенсивности (вызывавшие снижение количества колониеобразующих единиц более чем на порядок) вне зависимости от их физико-химической природы сопровождались снижением экспрессии генов soxRS-регулона.

Заключение. В исследованных условиях только осмотический стресс, вызванный внесением NaCl, сопровождался значимой активацией генов, входящих в soxRS-регулон. Сублетальное воздействие NaCl, вызывая повышение экспрессии генов soxRS-регулона в 2–2,5 раза, может обеспечивать преадаптацию бактерий к факторам, на противодействие которым направлен данный регулон, в том числе к антибактериальным препаратам.

1. Blair JM, Webber MA, Baylay AJ, Ogbolu DO, Piddock LJ. Molecular mechanisms of antibiotic resistance. Nat Rev Microbiol. 2015; 13(1): 42-51. doi: 10.1038/nrmicro3380

2. Darby EM, Trampari E, Siasat P, Gaya MS, Alav I, Webber MA, et al. Molecular mechanisms of antibiotic resistance revisited. Nat Rev Microbiol. 2022 Nov 21. doi: 10.1038/s41579-022-00820-y

3. Windham S, Kollef MH. How to use new antibiotics in the therapy of serious multidrug resistant Gram-negative infections? Curr Opin Infect Dis. 2022; 35(6): 561-567. doi: 10.1097/QCO.0000000000000858

4. Poole K. Bacterial stress responses as determinants of antimicrobial resistance. J Antimicrob Chemother. 2012; 67(9): 20692089. doi: 10.1093/jac/dks196

5. Chetri S, Das BJ, Bhowmik D, Chanda DD, Chakravarty A, Bhattacharjee A. Transcriptional response of mar, sox and rob regulon against concentration gradient carbapenem stress within Escherichia coli isolated from hospital acquired infection. BMC Res Notes. 2020; 13(1): 168. doi: 10.1186/s13104-020-04999-2

6. Koutsolioutsou A, Peña-Llopis S, Demple B. Constitutive soxR mutations contribute to multiple-antibiotic resistance in clinical Escherichia coli isolates. Antimicrob Agents Chemother. 2005; 49(7): 2746-2752. doi: 10.1128/AAC.49.7.2746-2752.2005

7. Tkachenko AG, Akhova AV, Shumkov MS, Nesterova LY. Polyamines reduce oxidative stress in Escherichia coli cells exposed to bactericidal antibiotics. Res Microbiol. 2012; 163(2): 83-91. doi: 10.1016/j.resmic.2011.10.009

8. Fàbrega A, Martin RG, Rosner JL, Tavio MM, Vila J. Constitutive SoxS expression in a fluoroquinolone-resistant strain with a truncated SoxR protein and identification of a new member of the marA-soxS-rob regulon, mdtG. Antimicrob Agents Chemother. 2010; 54(3): 1218-1225. doi: 10.1128/AAC.00944-09

9. Aly SA, Boothe DM, Suh S-J. A novel alanine to serine substitution mutation in SoxS induces overexpression of efflux pumps and contributes to multidrug resistance in clinical Escherichia coli isolates. J Antimicrob Chemother. 2015; 70(8): 2228-2233. doi: 10.1093/jac/dkv105

10. Hidalgo E, Bollinger JM Jr, Bradley TM, Walsh CT, Demple B. Binuclear [2Fe-2S] clusters in the Escherichia coli SoxR protein and role of the metal centers in transcription. J Biol Chem. 1995; 270(36): 20908-20914. doi: 10.1074/jbc.270.36.20908

11. Nunoshiba T, Hidalgo E, Amábile Cuevas CF, Demple B. Two-stage control of an oxidative stress regulon: the Escherichia coli SoxR protein triggers redox-inducible expression of the soxS regulatory gene. J Bacteriol. 1992; 174(19): 6054-6060. doi: 10.1128/jb.174.19.6054-6060.1992

12. Wu J, Weiss B. Two-stage induction of the soxRS (superoxide response) regulon of Escherichia coli. J Bacteriol. 1992; 174(12): 3915-3920. doi: 10.1128/jb.174.12.3915-3920.1992

13. Ding H, Demple B. Direct nitric oxide signal transduction via nitrosylation of iron-sulfur centers in the SoxR transcription activator. Proc Natl Acad Sci U S A. 2000; 97(10): 5146-5150. doi: 10.1073/pnas.97.10.5146

14. Imlay JA. The molecular mechanisms and physiological consequences of oxidative stress: Lessons from a model bacterium. Nat Rev Microbiol. 2013; 11(7): 443-454. doi: 10.1038/nrmicro3032

15. Mols M, Abee T. Primary and secondary oxidative stress in Bacillus. Environ Microbiol. 2011; 13(6): 1387-1394. doi: 10.1111/j.1462-2920.2011.02433.x

16. Liu Y, Imlay JA. Cell death from antibiotics without the involvement of reactive oxygen species. Science. 2013; 339(6124): 1210-1213. doi: 10.1126/science.1232751

17. Dwyer DJ, Belenky PA, Yang JH, MacDonald IC, Martell JD, Takahashi N, et al. Antibiotics induce redox-related physiological alterations as part of their lethality. Proc Natl Acad Sci U S A. 2014; 111(20): E2100-E21009. doi: 10.1073/pnas.1401876111

18. Akhova AV, Sekatskaya PA, Tkachenko AG. Formation of associated oxidative stress in cells of Escherichia coli exposed to different environmental stressors. Appl Biochem Microbiol. 2019; 55(6): 582-587. doi: 10.1134/S0003683819060036

19. Imlay JA. Where in the world do bacteria experience oxidative stress? Environ Microbiol. 2019; 21(2): 521-530. doi: 10.1111/1462-2920.14445

20. Drlica K, Zhao X. Bacterial death from treatment with fluoroquinolones and other lethal stressors. Expert Rev Anti Infect Ther. 2021; 19(5): 601-618. doi: 10.1080/14787210.2021.1840353

21. Hidalgo E, Demple B. Spacing of promoter elements regulates the basal expression of the soxS gene and converts SoxR from a transcriptional activator into a repressor. EMBO J. 1997; 16(5): 1056-1065. doi: 10.1093/emboj/16.5.1056

22. Martin RG, Gillette WK, Rosner JL. Promoter discrimination by the related transcriptional activators MarA and SoxS: Differential regulation by differential binding. Mol Microbiol. 2000; 35(3): 623634. doi: 10.1046/j.1365-2958.2000.01732.x

23. Miller HJ. Experiments in molecular genetics. Cold Spring Harbor: Cold Spring Harbor Laboratory; 1972.

24. Gunasekera TS, Csonka LN, Paliy O. Genome-wide transcriptional responses of Escherichia coli K-12 to continuous osmotic and heat stresses. J Bacteriol. 2008; 190(10): 3712-3720. doi: 10.1128/JB.01990-07

25. Smirnova GV, Muzyka NG, Oktyabrsky ON. The role of antioxidant enzymes in response of Escherichia coli to osmotic upshift. FEMS Microbiol Lett. 2000; 186(2): 209-213. doi: 10.1111/j.15746968.2000.tb09106.x

26. Clements MO, Watson SP, Foster SJ. Characterization of the major superoxide dismutase of Staphylococcus aureus and its role in starvation survival, stress resistance, and pathogenicity. J Bacteriol. 1999; 181(13): 3898-3903. doi: 10.1128/jB.181.13.3898-3903.1999

27. Mols M, van Kranenburg R, van Melis CC, Moezelaar R, Abee T. Analysis of acid-stressed Bacillus cereus reveals a major oxidative response and inactivation-associated radical formation. Environ Microbiol. 2010; 12(4): 873-885. doi: 10.1111/j.14622920.2009.02132.x