Method Article
Bakteriler, oksijen ve demir biyoyararlanımında farklılık gösteren konakçı dokuları kolonize eder, ancak bakterileri incelemek için çoğu yaklaşım havalandırılmış, zengin ortam kullanır. Bu protokol, insan patojeni Yersinia pseudotuberculosis'in değişen demir konsantrasyonları ve oksijen gerilimi altında kültürlenmesini ve önemli bir virülans faktörü olan Yersinia tip III sekresyon sisteminin aktivitesinin ölçülmesini açıklar.
Birçok Gram-negatif patojen için önemli bir virülans mekanizması, sitotoksik veya immünomodülatör efektör proteinleri konakçı hücrelere translokasyona geçiren iğne benzeri bir uzantı olan tip III sekresyon sistemidir (T3SS). T3SS, hücre dışı olarak erişilebilir olduğu ve patojenik olmayan bakterilerde büyük ölçüde bulunmadığı için antimikrobiyal keşif kampanyaları için bir hedeftir. Son çalışmalar, Yersinia ve Salmonella'nın T3SS'sinin, memeli enfeksiyonu sırasında karşılaşılan önemli nişe özgü sinyaller olan demir ve oksijene yanıt veren faktörler tarafından düzenlendiğini göstermiştir. Burada tarif edilen, Yersinia pseudotuberculosis'in demir açlığı için bir yöntemdir ve daha sonra isteğe bağlı olarak inorganik demir takviyesi vardır. Oksijen mevcudiyetinin etkisini değerlendirmek için, bu demir açlığı süreci hem aerobik hem de anaerobik koşullar altında gösterilmiştir. Son olarak, kültürlerin 37 ° C'lik memeli konak sıcaklığında inkübe edilmesi, T3SS ekspresyonunu indükler ve süpernatan içine salınan efektör proteinleri görselleştirerek Yersinia T3SS aktivitesinin nicelleştirilmesine izin verir. Burada detaylandırılan adımlar, muhtemelen verimli Yersinia demir alımı ve süpürme sistemleri nedeniyle, sağlam demir açlığını indüklemek için yetersiz olan demir açlığının yokluğunda demir şelatörlerin kullanımına göre bir avantaj sunmaktadır. Benzer şekilde, asitle yıkanan laboratuvar cam malzemeleri, sağlam demir açlığını indüklemek için gerekli olan artık demirin uzaklaştırılmasını sağlamak için detaylandırılmıştır. Ek olarak, artık demiri ortamdan uzaklaştırmak için bir kenetleme maddesi kullanılması ve bakteriyel demir depolarını tüketmek için demir yokluğunda bakterilerin birkaç nesil boyunca kültürlenmesi açıklanmaktadır. Trikloroasetik asit kaynaklı protein çökeltme, SDS-PAGE ve gümüş boyamanın standart protokollerini içeren bu prosedür, T3SS aktivitesini ölçmenin erişilebilir yollarını gösterir. Bu prosedür Y. pseudotuberculosis için optimize edilmiş olsa da, benzer sağlam demir alım sistemlerine sahip patojenlerde yapılan çalışmalar için bir çerçeve sunar. Antibiyotik direnci çağında, bu yöntemler, konakçı ile ilgili koşullar altında T3SS'yi hedef alan antimikrobiyal bileşiklerin etkinliğini değerlendirmek için genişletilebilir.
Yersinia, Vibrio, Escherichia, Pseudomonas ve Shigella gibi klinik olarak anlamlı birçok Gram-negatif patojen, efektör proteinleri konakçı hücrelere enjekte etmek için tip III salgı sistemini (T3SS) kodlar1. Birçok bakteri türünde, T3SS sıkı düzenleyici kontrol altındadır2. Örneğin, Yersinia T3SS efektör proteinlerinin hedef konak hücrelere translokasyonu, konak savunma mekanizmalarını bozmak ve konak dokuların bakteriyel kolonizasyonunu sağlamak için kritik öneme sahiptir. Bununla birlikte, Yersinia T3SS aktivitesi metabolik olarak külfetlidir ve konakçı immün reseptörleri tarafından tanınmayı tetikleyebilir3. Buna göre, belirli çevresel ipuçlarını algılayan düzenleyiciler, birçok bakteri türünde T3SS genlerinin ekspresyonunu kontrol eder. Yersinia gibi patojenler, enfeksiyon döngüleri sırasında kritik virülans faktörlerinin ekspresyonunu etkileyen çevresel değişiklikler yaşadığından, bakteriyel patojenler tarafından işgal edilen konakçı nişlerinin göze çarpan özelliklerini taklit eden laboratuvar koşullarının geliştirilmesi önemlidir. Spesifik olarak, oksijen gerginliği ve demir mevcudiyeti, uzay-zamansal bir şekilde çeşitli doku bölgeleri arasında farklılık gösterir ve T3SS 4,5,6 gibi virülans genlerinin ekspresyonunu etkiler. Bu nedenle, bu yöntemin amacı, oksijen ve demirin Yersinia T3SS'nin ekspresyonunu nasıl etkilediğini değerlendirmektir. Bu, konakçı-patojen etkileşiminin dinamikleri hakkında fikir verecektir.
Burada açıklanan yöntem, Yersinia pseudotuberculosis'in aerobik ve anaerobik olarak nasıl kültürleneceğini ve ayrıca aerobik veya anaerobik büyüme sırasında Yersinia demir depolarının nasıl tüketileceğini detaylandırır. Bu değişken koşullar altında bakterilerin başarılı bir şekilde kültürlenmesiyle ilgili olarak burada vurgulanan birkaç önemli husus vardır. İlk olarak, anaerobik kültürleme, medya tarifinde belirtilen bir değişiklik olan ek glikoz takviyesi gerektirir. İkincisi, Y. pseudotuberculosis, demiri çevreden sağlam bir şekilde temizleyebilen sideroforlar ve diğer demir alım sistemlerini kullandığından, kültür ortamının ve laboratuvar cam malzemelerinin mümkün olduğunca demir içermemesini sağlamaya özel önem verilmektedir7. Önceki çalışmalar, demir açlığını taklit etmek için zengin ortamlı bakteri kültürlerinden demiri tüketmek için dipiridil gibi demir şelatörleri kullanmıştır 8,9. Bununla birlikte, demir açlığına neden olmak için Yersinia demir depolarının tükenmesi, cam eşyalarda ve ortamlarda kalan demirin uzaklaştırılmasını ve ayrıca demir yokluğunda uzun süreli büyümeyi gerektirir. Bu protokol, tam demir açlığını sağlamak için bakterileri birkaç nesil boyunca kültürlemenin yanı sıra, artık demiri uzaklaştırmak için cam eşyaların asitle nasıl yıkanacağını ve ortamın nasıl şelatlanacağını detaylandırır. Demir açlığı, burada yfeA ve bfd ile gösterildiği gibi, koşullar boyunca iyi karakterize edilmiş demire duyarlı genlerin nispi transkript seviyelerinin ölçülmesiyle sağlanabilir.
Bu protokolün doruk noktası, kültür süpernatantını trikloroasetik asit (TCA) ile muamele ederek ve salgılanan proteinleri SDS-PAGE aracılığıyla görselleştirerek bu koşulların her birinden salgılanan T3SS efektör proteinlerinin nasıl çökeltileceğini gösterir. Son olarak, nispi T3SS aktivitesi, salgılanan proteinlerin gümüş boyama yoluyla görselleştirilmesi ve Yersinia dış proteinleri (Yops) 10 olarak adlandırılan T3SS efektör proteinlerinin nispi seviyelerinin ölçülmesiyle değerlendirilir.
T3SS aktivite testleri genellikle kültür süpernanında T3SS efektör protein seviyelerini tespit etmek için spesifik antikorlar kullanır. Bununla birlikte, T3SS efektör proteinleri için western blotting antikorları genellikle ticari olarak mevcut değildir. Bu nedenle, bu yöntemde T3SS aktivitesinin nihai görselleştirmesinin spesifik antikorlar gerektirmemesini ve bunun yerine salgılanan tüm proteinlerin görselleştirilmesine izin veren gümüş boyamadan yararlanabilmesini sağlamak için özel dikkat gösterilmiştir. Bu yöntem Y. pseudotuberculosis için özel olarak tasarlanmış ve optimize edilmiş olsa da, kesin ortam koşulları ve kuluçka süreleri değişse de diğer bakteri türlerine uyarlanabilir.
Reaktiflerin, ortam bileşiminin, primer dizilerinin ve ekipmanın ayrıntıları Malzeme Tablosunda listelenmiştir. Şekil 1'de genel deneysel iş akışı gösterilmektedir.
1. Asitle yıkanmış cam eşyaların ve şelatlı M9 ortamının hazırlanması
NOT: Başlamadan önce, kullanılacak tam reaktifler ve tarifler için malzeme bölümüne bakın. M9 ortamı ilk olarak Cheng ve ark.11'de Yersinia T3SS testleri için kullanıldı.
2. Değişen demir seviyeleri ve oksijen gerilimi altında Y. pseudotuberculosis'in kültürlenmesi
3. T3SS efektör proteinlerinin trikloroasetik asit (TCA) çökeltilmesi
4. T3SS efektör proteinlerini görselleştirmek için SDS-PAGE ve gümüş boyama
5. Bağıl T3SS aktivitesinin ölçülmesi
Bu yöntem, salgılanan Yops'un ilgilenilen bir referans koşuluna göre çeşitli koşullar arasında göreceli olarak karşılaştırılmasına izin verir. Genel deneysel iş akışı Şekil 1'de gösterilmiştir. Tablo 1, hücre kültürü normalizasyonunun tipik olarak her bir kültür koşulu örneğinde nasıl gerçekleşeceğinin ve her bir süpernatana eklenecek TCA hacminin bir temsilini göstermektedir. Burada, wildtype (WT) Y. pseudotuberculosis IP2666pIB1'in yanı sıra iki konjenik mutant, ΔyscNU ve Δ yopE kullanılarak temsili sonuçlar gösterilmiştir. ΔyopE mutantı, YopE'den yoksun bir kontrol olarak kullanılırken, Δ yscNU mutantı, işlevsel bir T3SS13,14 monte edemediği için tam birT3SS negatif kontrol olarak kullanılır. Salgılanan proteinleri içeren gümüş lekeli% 12.5 SDS-PAGE jelinin temsili bir görüntüsü Şekil 2'de gösterilmektedir. Yukarıda açıklandığı gibi, her numune, protein çökeltme verimliliği için bir kontrol olarak çivili BSA içeriyordu. Verilerin analizinde, anaerobik ve aerobik veri setleri, her biri ayrı ayrı normalleştirildiğinden bağımsız veri setleri olarak ele alınmalıdır. Anaerobik numunelerde, önceki sonuçlarla tutarlı olarak, düşük demir numunelerinde yüksek demir numunelerine göre ~ 38 kat daha fazla YopE mevcuttu15,16. Aerobik örneklerde, önceki sonuçlarla tutarlı olarak, düşük ve yüksek demir örneklerinde benzer miktarda salgılanan YopE gözlenmiştir16. Genel olarak, istatistiksel anlamlılık oluşturmak için her koşulun en az üç biyolojik kopyası kullanılır.
Bu protokolün yeterli demir açlığı ile sonuçlandığını doğrulamak için, tüm koşullarda vahşi tip suşta demire duyarlı genler yfeA ve bfd üzerinde qPCR analizi yapıldı. YfeA, demir taşınmasından sorumlu bir ABC taşıma sisteminin periplazmik bağlayıcı proteinidir, Bfdise demir depolarının mobilizasyonunda yer alan bakteriyoferritin ile ilişkili bir ferredoksindir 17,18,19,20. RNA, daha önce21 tarif edildiği gibi izole edildi ve beklendiği gibi, yfeA ve bfd, Şekil 3'te gösterildiği gibi, hem aerobik hem de anaerobik olarak demir içeren koşullara göre demir tükenmiş koşullarda önemli ölçüde yukarı regüle edildi. Ek olarak, protein seviyesinde nispi YopE için gözlemlenen sonuçların yopE transkript seviyeleri ile tutarlı olduğunu doğrulamak için qPCR kullanarak yopE mRNA kararlı durum seviyelerini ölçtük (bkz. Şekil 3).
Son olarak, bakteriler stresli kültür koşullarında parçalanmaya eğilimli olduklarından, bu protokoldeki adımların potansiyel olarak kafa karıştırıcı sonuçlar doğurabilecek bakteri lizisi ile sonuçlanmadığını göstermek önemliydi. Bunu doğrulamak için, TCA ile çökeltilmiş süpernatant numuneleri western blotlamaya tabi tutuldu ve RNA polimerazın bir alt birimi ve bir sitoplazmik protein olan YopE ve RpoA için araştırıldı. Şekil 4'te gösterildiği gibi, YopE ekspresyon modeli Şekil 3'te gösterileni takip ederken, numune süpernatantlarında RpoA'nın bulunduğuna dair bir kanıt yoktu, bu da süpernatana sitoplazmik RpoA salacak gözlemlenebilir bir lizis olmadığını düşündürdü.
Şekil 1: Değişen demir ve oksijen mevcudiyeti altında büyüyen Yersinia pseudotuberculosis için deneysel iş akışı. Kültür adımlarının grafiksel gösterimi. Asitle yıkanmış cam eşyaların 4. günden itibaren kullanılması gerektiğini unutmayın. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2: Kültür süpernatanlarından elde edilen TCA ile çökeltilmiş proteinin gümüş lekeli %12.5 SDS-PAGE jelinin sonuçları. Çökeltilmiş kültür süpernatantları% 12.5'lik bir SDS-PAGE jel üzerine yüklendi ve gümüş boyandı. (A) Anaerobik olarak yetiştirilen WT, ΔyscNU ve ΔyopE suşlarının sekresyon profili. Anaerobik WT demir dolgulu numuneye normalize edilmiş YopE'nin temsili nispi değerleri. (B) Aerobik olarak yetiştirilen WT, ΔyscNU ve Δ yopE suşlarının sekresyon profili. Aerobik WT demir dolgulu numuneye normalize edilmiş YopE'nin temsili nispi değerleri. Beyaz oklar YopE'yi (~23 kDa) gösterir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3: Demire duyarlı genlerin nispi mRNA seviyeleri demir açlığını göstermektedir. RNA, Şekil 1'de tarif edilen koşullarda kültürlenen WT Y. pseudotuberculosis'ten izole edildi. qPCR, anaerobik (AC) ve aerobik (DF) koşullarda 16S rRNA'ya normalize edilmiş yfeA, bfd ve yopE seviyelerinin nispi ekspresyonunu ölçmek için kullanıldı. ****p < 0.0001, eşleşmemiş bir t-testi ile belirlendiği gibi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 4: Süpernatant örneklerinde sitoplazmik RpoA eksikliği, kültür koşullarında hücre lizizinin eksikliğini göstermektedir. Şekil 3'ten (A) anaerobik ve (B) aerobik numunelerin 5 μL çökeltilmiş süpernatantları, bir pelet kontrolü ile birlikte% 12.5'lik bir SDS-PAGE jeli üzerinde çalıştırıldı. Proteinler, batı lekeleme için bir PVDF membranına aktarıldı. Membran kesildi ve üst yarısı bir anti-RpoA antikoru kullanılarak RpoA için problandı ve alt yarısı bir anti-YopE antikoru kullanılarak YopE için problandı. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
(Bir) | |||
ANAEROBİK | |||
Koşul | OD | Toplanacak Hacim (mL) | 6.1 N TCA'lık hacim SUP'a eklendi (mL) |
WT Düşük Demir | 0.5 | 6 | 0.6 |
WT Yüksek Demir | 1 | 3 | 0.3 |
(B) | |||
AEROBİK | |||
Koşul | OD | Toplanacak Hacim (mL) | SUP'a eklenen 6.1N TCA hacmi (mL) |
WT Düşük Demir | 0.9 | 6 | 0.6 |
WT Yüksek Demir | 1.4 | 3.857 | 0.386 |
Tablo 1: Temsili örnek toplama iş akışı. 5. günde, (A) anaerobik numuneler için 37 ° C'de 4 saatlik inkübasyon tamamlandıktan sonra, en düşük OD600 değerine sahip numunenin 6 mL'si toplandı ve numune hacimlerinin geri kalanı buna göre normalize edildi. Süpernatanı filtreledikten sonra 6.1 N TCA eklendi. (B) Aerobik inkübasyonlar (26 ° C'de 2 saat ve 37 ° C'de 4 saat) tamamlandıktan sonra, en düşük OD600 değerine sahip numunenin 6 mL'si toplandı ve numune hacimlerinin geri kalanı buna göre normalize edildi. Süpernatanı filtreledikten sonra 6.1 N TCA eklendi.
T3SS, birçok patojenik bakteride önemli bir virülans faktörüdür; Bu nedenle, regülasyonunu incelemek için laboratuvar tekniklerinin geliştirilmesi, patogenezin anlaşılması ve potansiyel terapötiklerin geliştirilmesi için önemlidir1. Demir ve oksijenin, T3SS ekspresyonunu düzenlemek için bakteriyel patojenler tarafından algılanan önemli konak ipuçları olduğu bilinmektedir5; bu nedenle, bu yöntem, anaerobik veya aerobik koşullar altında, demir açlığı veya tükenmesi ile Y. pseudotuberculosis'in kültürlenmesi için bir strateji sunar ve salgılanan YopE T3SS efektör protein seviyelerinin nispi miktarlarını değerlendirerek bu farklı koşullar altında nispi T3SS aktivitesinin nasıl ölçüleceğini gösterir.
Bu deney için iş akışı nispeten basit olsa da, sonuçları optimize etmek için yakından dikkate alınması gereken birkaç nokta vardır. TCA aracılı protein çökeltme adımı sırasında, görülmesi zor olabilen protein peletini aspire etmekten kaçınmak önemlidir. Aspiratör ucunun duvarlara veya borunun altına temas etmemesi için ekstra önlemler almak çok önemlidir. Ek olarak, daha düşük bir T3SS aktivitesi seviyesine sahip mutant suşlarla uğraşırken, işlemek için daha büyük bir numune toplanması tavsiye edilir. Son olarak, şeritler farklı bantlar üretmek yerine numune işleme ve jel boyamadan sonra lekeli görünüyorsa, bunun nedeni ya kültürleme sırasında hücre lizisi ya da bütün bakterilerin peletten süpernatant fraksiyona taşınması olabilir. Bu durumda, deney tekrarlanmalı ve süpernatanı çıkarırken peletin alınmasını önlemek için daha fazla özen gösterilmelidir. Bu protokolün çok düşük miktarlarda salgılanan proteinleri tespit etmek için yeterince hassas olmayabileceğine dikkat etmek önemlidir, bu durumda başka tespit yöntemlerinin kullanılması gerekebilir. Ek olarak, birçok şelatlama maddesi, demir ve magnezyum dışındaki iki değerlikli katyonları ortamdan uzaklaştıracağından, salgı üzerindeki etkilerini belirlemek için şelasyonu takiben ortama başka iki değerlikli katyonlar tekrar eklenebilir.
Bu deneylerde dikkate alınması gereken bir diğer önemli nokta, M9 ortamındaki tuzların çökelme eğilimidir ve bu da deney partileri arasında değişkenliğe neden olur. Bu sorunu azaltmak için, kültürlemeden hemen önce ortama filtre ile sterilize edilmiş MgS04 eklemek mümkündür.
Genel olarak, bu yöntemler, protein seviyelerini ölçerek nispi Yersinia T3SS aktivitesini ölçmek için sağlam bir çerçeve sağlar. T3SS ekspresyonunu değerlendirmeyi amaçlayan paralel yaklaşımların yanı sıra, burada sunulan yöntemler, konakçıyla ilgili çevresel ipuçlarına yanıt olarak T3SS dinamiklerinin kapsamlı bir şekilde anlaşılmasına olanak tanır. Bu protokol aynı zamanda, bir demir kaynağının atlanabileceği tanımlanmış bir ortamda yetiştirilebilen diğer bakterilere ve salgılanan proteinlerin ölçülmesinin bilimsel soruyla ilgili olduğu uygulamalar için de uyarlanabilir.
Yazarlar rekabet eden hiçbir mali çıkar beyan etmemektedir.
BioRender.com kullanılarak oluşturulan Grafik Görüntüler. Bu çalışma Ulusal Sağlık Enstitüleri (www.NIH.gov) hibe R01AI119082 tarafından desteklenmiştir.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
10 mL Luer-Lok Tip syringe | BD | 301029 | |
10x SDS Running Buffer | Home made | 0.25 M Tris base, 1.92 M Glycine, 1% SDS in 1 L volume | |
12.5% SDS-Page Gel | Home made | ||
15 mL culture tubes | Falcon | 352059 | For initial overnight |
15 mL Falcon tubes | Falcom | 352196 | For supernatant collection |
250 mL culture flask | Belco | 251000250 | |
500 mL Filter System | Corning | 431097 | |
6 N Hydrochloric acid solution | Fisher Scientific | 7732185 | |
Acetone | Fisher Chemical | A949-4 | 4 L |
Bio Rad ChemiDoc MP Imaging System | Bio Rad | Model Number: Universal Hood III | |
Borosilicate glass culture tubes | Fisherbrand | 14-961-34 | For anaerobic culturing |
Chelex 100 Resin | Bio Rad | 142-1253 | |
Chelex M9 +0.9% Glucose media | Home made | 6 g/L Na2HPO4, 3 g/L KH2PO4, 0.5 g/L NaCl, 1 g/L NH4Cl, 1% casamino acids, 0.9% dextrose, 0.0005% thiamine, 5 g/L Chelex 100 Resin. Stir media for 18 h at room temp, filter using 500 mL Corning filtration unit, then add MgSO4 for 1 mM MgSO4 final solution | |
Final Sample Buffer (FSB) | Home made | 0.1 M Tris-HCl, 4% SDS, 20% glycerol, 0.2% of Bromophenol Blue | |
FSB:DTT solution | Home made | FSB+0.2M DTT | |
Image Lab Software | Bio Rad | https://www.bio-rad.com/en-us/product/image-lab-software?ID=KRE6P5E8Z | Software |
Isotemp Heat Block | Fisher Scientific | 88860021 | |
LB Agar Plates | Home made | 10 g Tryptone, 5 g Yeast extract, 10 g NaCl, 15 g Agar in 1 L total volume. Autoclaved | |
M9+0.2% Glucose Media | Home made | 6 g/L Na2HPO4, 3 g/L KH2PO4, 0.5 g/L NaCl, 1 g/L NH4Cl, 1 mM MgSO4, 1 mg/L FeSO47H2O, 1% casamino acids, 0.2% dextrose, 0.0005% thiamine | |
Millex-GP PES 0.22um filter attachment for syringe | Millipore | SLGPR33RS | For FeSO47H2O filtration |
Millex-GV PVDF 0.22um filter attachment for syringe | Millipore | SLGVR33RS | For supernatant filtration |
Precision Plus Protein Unstained Standard | Bio Rad | 1610363 | |
SDS-PAGE Gel Apparatus | Bio Rad | Model Number: Mini PROTEAN Tetra Cell | |
SilverXpress Silver Staining Kit | Invitrogen | LC6100 | |
The BellyDancer Shaker | IBI Scientific | BDRAA1155 | |
Trichloroacetic acid solution 6.1N | Sigma Aldrich | T0699 | |
Vinyl Anaerobic Chamber | Coy Lab Products | https://coylab.com/products/anaerobic-chambers/vinyl-anaerobic-chambers/#details | |
qPCR Primer sequences | |||
yfeA forward - CAC AGT CAG CAG ACC TTA TCT T | |||
yfeA reverse - GGC AGA CGG GAC ATC TTT AAT A | |||
bfd forward - ccagcatcagccccatacag | |||
bfd reverse - tggcttgtcggatgcacttc | |||
yopE forward - CCATAAACCGGTGGTGAC | |||
yopE reverse - CTTGGCATTGAGTGATACTG |
Bu JoVE makalesinin metnini veya resimlerini yeniden kullanma izni talebi
Izin talebiThis article has been published
Video Coming Soon
ISSN 2689-3649
JoVE Hakkında
Telif Hakkı © 2020 MyJove Corporation. Tüm hakları saklıdır
Sitemizdeki deneyiminizi iyileştirmek için çerezleri kullanıyoruz
Sitemizi kullanmaya devam ederek ya da "Devam et" butonuna tıklayarak, çerezleri kabul edebilirsiniz.