יצירת מוטציות ריקות כדי להבהיר את תפקידם של גליקוזילטרנספראזות חיידקיות בתנועתיות חיידקית

Summary

כאן, אנו מתארים את הבנייה של מוטציות ריקות של אירומונס בגליקוזילטרנספראזות ספציפיות או באזורים המכילים גליקוזילטרנספראזות, מבחני תנועתיות וטיהור פלגלה שבוצעו כדי לבסס את המעורבות והתפקוד של האנזימים המקודדים שלהם בביוסינתזה של גליקאן, כמו גם את תפקידו של גליקאן זה בפתוגנזה חיידקית.

Abstract

המחקר של גליקוסילציה אצל פרוקריוטים הוא אזור שגדל במהירות. על פני השטח שלהם יש לחיידקים מבנים גליקוסיליים שונים, שהגליקנים שלהם מהווים ברקוד ספציפי לזן. הגליקנים הקשורים אליהם מראים גיוון גבוה יותר בהרכב הסוכר ובמבנהו בהשוואה לאלה של אאוקריוטים, והם חשובים בתהליכי זיהוי חיידקים-מארחים ובאינטראקציה עם הסביבה. בחיידקים פתוגניים, גליקופרוטאינים היו מעורבים בשלבים שונים של תהליך הזיהום, ושינויי גליקאן יכולים להפריע לתפקודים ספציפיים של גליקופרוטאינים. עם זאת, למרות ההתקדמות שנעשתה בהבנת ההרכב, המבנה ומסלולי הביוסינתזה של הגליקנים, הבנת תפקידם של גליקופרוטאינים בפתוגניות או באינטראקציה עם הסביבה נותרה מוגבלת מאוד. יתר על כן, בחיידקים מסוימים, האנזימים הדרושים לגליקוזילציה של חלבונים משותפים עם מסלולים ביוסינטטיים אחרים של פוליסכרידים, כגון ליפופוליסכריד ומסלולים ביוסינטטיים כמוסות. החשיבות התפקודית של גליקוסילציה הובהרה במספר חיידקים באמצעות מוטציה של גנים ספציפיים שנחשבו מעורבים בתהליך הגליקוזילציה וחקר השפעתה על הביטוי של גליקופרוטאין המטרה והגליקן המשתנה. לאירומונס מזופילי יש פלגלום קוטבי יחיד ו-O-גליקוזילי. גליקנים פלאגלארים מראים גיוון בהרכב הפחמימות ובאורך השרשרת בין זני אירומונס . עם זאת, כל הזנים שנותחו עד כה מראים נגזרת של חומצה פסאודמינית כסוכר המקשר המשנה שאריות סרין או תראונין. נגזרת החומצה הפסאודמינית נדרשת להרכבת פלגלה קוטבית, ולאובדן שלה יש השפעה על הידבקות, היווצרות ביופילם והתיישבות. הפרוטוקול המפורט במאמר זה מתאר כיצד ניתן להשתמש בבניית מוטנטים ריקים כדי להבין את המעורבות של גנים או אזורי גנום המכילים גליקוזילטרנספראזות פוטטיביות בביוסינתזה של גליקאן פלאגלאר. זה כולל את הפוטנציאל להבין את תפקודם של הגליקוזילטרנספראזות המעורבות ואת תפקידו של הגליקן. זה יושג על ידי השוואת המוטציה חסרת הגליקן לזן מסוג בר.

Introduction

גליקוזילציה של חלבונים תוארה הן בחיידקים גראם-חיוביים והן בחיידקים גראם-שליליים והיא מורכבת מהצמדה קוולנטית של גליקאן לשרשרת צד של חומצת אמינו ^1,2. אצל פרוקריוטים, תהליך זה מתרחש בדרך כלל באמצעות שני מנגנונים אנזימטיים עיקריים: O- ו– N-glycosylation ³. ב-O-glycosylation, הגליקן מחובר לקבוצת ההידרוקסיל של שאריות סרין (Ser) או תראונין (Thr). ב-N-גליקוזילציה, הגליקן מחובר לשרשרת הצדדית של חנקן אמיד של שאריות אספרגין (Asn) בתוך רצפי הטריפפטידים Asn-X-Ser/Thr, כאשר X יכול להיות כל חומצת אמינו למעט פרולין.

גליקנים יכולים לאמץ מבנים ליניאריים או מסועפים והם מורכבים מחד-סוכרים או מפוליסכרידים המקושרים באופן קוולנטי על ידי קשרים גליקוזידיים. אצל פרוקריוטים, גליקנים בדרך כלל מראים גיוון בהרכב הסוכר ובמבנהו בהשוואה לגליקנים אאוקריוטים⁴. יתר על כן, תוארו שני מסלולי גליקוזילציה חיידקיים שונים הנבדלים זה מזה באופן שבו הגליקן מורכב ומועבר לחלבון המקבל: גליקוזילציה רציפה ו-en bloc ^5,6. עבור גליקוזילציה רציפה, הגליקן המורכב בנוי ישירות על החלבון על ידי תוספת רצופה של חד-סוכרים. ב-en bloc glycosylation, גליקאן שהורכב מראש מועבר לחלבון מאוליגוזכריד המקושר בשומנים על ידי אוליגוסכריל-טרנספראז (OTase) מיוחד. שני המסלולים הוכחו כמעורבים בתהליכי N ו-O-glycosylation ⁷.

לגליקוזילציה של חלבונים יש תפקיד בוויסות התכונות הפיזיקוכימיות והביולוגיות של חלבונים. נוכחותו של גליקאן יכולה להשפיע על האופן שבו החלבון מתקשר עם הליגנד שלו, מה שמשפיע על הפעילות הביולוגית של החלבון, אך יכול גם להשפיע על יציבות החלבון, המסיסות, הרגישות לפרוטאוליזה, אימונוגניות ואינטראקציות בין חיידקים לפונדקאים ^8,9. עם זאת, מספר פרמטרים של גליקוזילציה, כגון מספר הגליקנים, הרכב הגליקן, המיקום ומנגנון ההתקשרות, עשויים גם הם להשפיע על תפקוד ומבנה החלבון.

גליקוסילטרנספראזות (GTs) הם האנזימים המרכזיים בביוסינתזה של גליקנים וגליקו-קונג’וגטים מורכבים. אנזימים אלה מזרזים את היווצרות הקשר הגליקוזידי בין מוטי סוכר ממולקולת תורם פעילה לבין מקבל מצע מסוים. GTs יכולים להשתמש הן בנוקלאוטידים והן בנון-נוקלאוטידים כמולקולות תורמות ולמקד מקבלי מצעים שונים, כגון חלבונים, סכרידים, חומצות גרעין וליפידים¹⁰. לכן, הבנת ה-GTs ברמה המולקולרית חשובה כדי לזהות את מנגנוני הפעולה והספציפיות שלהם, וגם מאפשרת להבין כיצד הרכב הסוכר של הגליקנים שמשנים מולקולות רלוונטיות קשור לפתוגניות. מסד הנתונים של האנזים הפעיל בפחמימות (CAZy)¹¹ מסווג GTs על פי הומולוגיה של הרצף שלהם, המספקת כלי חיזוי שכן, ברוב משפחות GT, הקפל המבני ומנגנוני הפעולה הם אינווריאנטים. עם זאת, ארבע סיבות מקשות על חיזוי ספציפיות המצע של GTs רבים: 1) לא נקבע מוטיב רצף ברור הקובע את ספציפיות המצע בפרוקריוטים¹², 2) GTs ו- OTases רבים מראים הפקרות מצע^13,14, 3) GTs פונקציונליים קשה לייצר בתפוקה גבוהה בצורה רקומביננטית ו -4) הזיהוי של מצעי התורם והמקבלים הוא מורכב. למרות זאת, מחקרי מוטגנזה שנערכו לאחרונה אפשרו להשיג התקדמות משמעותית בהבנת המנגנונים הקטליטיים ולחסר את הקשירה של GTs.

בחיידקים, נראה כי O-גליקוזילציה שכיחה יותר מאשר N-גליקוזילציה. אתרי ה-O-glycosylation אינם מראים רצף קונצנזוס, ורבים מחלבוני ה-O-glycosylated מופרשים או חלבונים על פני התא, כגון פלאגלינים, פילי או אוטו-טרנספורטרים¹. הגליקוזילציה של פלאגלין מראה שונות במספר האתרים המקבלים, בהרכב הגליקן ובמבנה. לדוגמה, ל-Burkholderia spp flagellins יש רק אתר מקבל אחד, בעוד שבקמפילובקטר ג’ג’וני, לפלגלנים יש לא פחות מ-19 אתרים מקבלים^15,16. יתר על כן, עבור חלק מהחיידקים, הגליקן הוא חד-סוכר יחיד, בעוד שחיידקים אחרים הם בעלי גליקנים הטרוגניים הטרוגניים שנפגעו מחד-סוכרים שונים ויוצרים אוליגוסכרידים. ההטרוגניות הזו מתרחשת אפילו בקרב זנים מאותו המין. הליקובקטר פלאגלינים משתנים רק על ידי חומצה פסאודאמינית (PseAc)¹⁷, וניתן לשנות את קמפילובקטר פלאגלינים על ידי PseAc, צורת האצטאמידינו של החומצה הפסאודמינית (PseAm) או חומצה לגיונאמינית (LegAm), וגליקנים המופקים מסוכרים אלה עם אצטיל, N-אצטילגלוקוסאמין, או תחליפים פרופיוניים ^18,19. ב-Aeromonas, פלאגלינים משתנים על ידי גליקנים שהרכבם נע בין נגזרת אחת של חומצת PseAc להטרופוליסכריד²⁰, והחיבור של גליקנים למונומרים של פלגלין הוא תמיד באמצעות נגזרת PseAc.

באופן כללי, גליקוזילציה של פלאגלינים חיונית להרכבת חוטים, תנועתיות, אלימות וספציפיות מארח. עם זאת, בעוד דגלונים של C. jejuni¹⁶, H. pylori^17, ו – Aeromonas sp. ²¹ לא יכול להרכיב לתוך נימה אלא אם כן מונומרים חלבון הם glycosylated, Pseudomonas spp. ו Burkholderia spp. ¹⁵ אינם דורשים גליקוסילציה להרכבת פלגלה. יתר על כן, בחלק מזני C. jejuni , שינויים בהרכב הסוכר של הגליקן פלאגלה משפיעים על האינטראקציה בין חיידק לפונדקאי ועשויים למלא תפקיד בהתחמקות מתגובות חיסוניות מסוימות¹⁶. Autoagglutination הוא מאפיין פנוטיפי נוסף המושפע משינויים בהרכב של גליקנים הקשורים flagellins. אוטו-אגלוטינציה נמוכה יותר מובילה להפחתה ביכולת ליצור מיקרוקולוניות וביופילם²². בחיידקים מסוימים, היכולת של פלגלה לעורר תגובה פרו-דלקתית נקשרה לגליקוזילציה של פלגלין. לכן, ב P. aeruginosa, גליקוזילציה flagellin משרה תגובה פרו דלקתית גבוהה יותר מאשר unglycosylated²³.

אירומונס הם חיידקים גראם-שליליים הנמצאים בכל מקום בסביבה, מה שמאפשר להם להיות בממשק של כל רכיבי One Health ²⁴. לאירומונים מזופיליים יש פלאגלום קוטבי יחיד, המיוצר באופן מכונן. יותר ממחצית המבודדים הקליניים מבטאים גם פלאגלין לרוחב, בלתי ניתן להשראה במדיה או צלחות צמיגות גבוהה. מחקרים שונים קישרו בין שני סוגי הפלגלה לבין השלבים המוקדמים של פתוגנזה חיידקית²⁵. בעוד שפלגלינים קוטביים שדווחו עד כה הם O-גליקוזיליים ב-5-8 Ser או Thr שאריות של התחומים האימונוגניים המרכזיים שלו, פלאגלינים לרוחב אינם O-גליקוזיליים בכל הזנים. אף על פי שהגליקנים של פלגלה קוטבית מזנים שונים מראים גיוון בהרכב הפחמימות שלהם ובאורך השרשרת^{שלהם 20}, הסוכר המקשר הוכח כנגזרת של חומצה פסאודמינית.

מטרתו של כתב יד זה היא לתאר שיטה להשגת מוטציות ריקות ב-GTs או באזורים כרומוזומליים ספציפיים המכילים GTs כדי לנתח את מעורבותם בביוסינתזה של פוליסכרידים רלוונטיים ובפתוגניות חיידקית, כמו גם את תפקידו של הגליקן עצמו. כדוגמה, אנו מזהים ומוחקים אזור כרומוזומלי המכיל GTs של אירומונס כדי לבסס את מעורבותו בגליקוזילציה של פלאגלין קוטבי ולנתח את תפקידו של הגליקן פלאגלין. אנו מראים כיצד למחוק GT מסוים כדי לבסס את תפקודו בביוסינתזה של גליקאן זה ואת תפקידו של גליקאן שונה. למרות השימוש ב- Aeromonas כדוגמה, ניתן להשתמש בעיקרון כדי לזהות ולחקור איי גליקוזילציה של פלגלה של חיידקים גראם שליליים אחרים ולנתח את תפקודם של GTs המעורבים בביוסינתזה של גליקנים אחרים כגון O-אנטיגן ליפופוליסכריד.

Protocol

הייצוג הסכמטי של ההליך מוצג באיור 1. 1. זיהוי ביואינפורמטי של אי הגליקוזילציה פלאגלה (FGIs) באיארומונס כדי לזהות את האשכולות הביו-סינטטיים של PseAc בגנומים של אירומונס , השתמש בכלי ה-tblastn מתוך מסד הנתונים NCBI26. ראשית, לאחזר ?…

Representative Results

מתודולוגיה זו מספקת מערכת יעילה ליצירת מוטנטים ריקים בגנים או באזורים כרומוזומליים של אירומונס שיכולים להשפיע על הגליקוזילציה של פלאגלה ועל תפקידו של חוט פלגלה (איור 1). הפרוטוקול מתחיל עם זיהוי ביואינפורמטי של FGIs putative ואת הגנים המקודדים GTs מציג באזור ?…

Discussion

השלב המוקדם הקריטי של שיטה זו הוא זיהוי של אזורים המעורבים בגליקוסילציה של פלגלה ו-GTs פוטטיביים מכיוון שאנזימים אלה מראים הומולוגיה גבוהה ומעורבים בתהליכים רבים. ניתוח ביואינפורמטי של גנומים של אירומונס במאגרי מידע ציבוריים מראה כי אזור זה צמוד לאזור הדגלה הקוטבי 2, המכיל את הגנים פל…

Materials

ABI PRISM Big Dye Terminator v. 3.1 Cycle Sequencing Ready Reaction Kit	Applied Biosystems	4337455	Used for sequencing
AccuPrime Taq DNA Polymerase, high fidelity	Invitrogen	12346-086	Used for amplification of AB, CD and AD fragments
Agarose	Conda-Pronadise	8008	Used for DNA electrophoresis
Alkaline phosphatase, calf intestinal (CIAP)	Promega	M1821	Used to remove phosphate at the 5’ end
Bacto agar	Becton Dickinson	214010	Use for motility analysis
BamHI	Promega	R6021	Used for endonuclease restriction
BglII	Promega	R6081	Used for endonuclease restriction
BioDoc-It Imagin System	UVP		Bio-imaging station used for DNA visualization
Biotaq polymerase	Bioline	BIO-21040	Used for colony screening
Cesium chloride	Applichem	A1126,0100	Used for flagella purification
Chloramphenicol	Applichem	A1806,0025	Used for triparental mating
Cytiva illustra GFX PCR DNA and Gel Band Purification Kit	Cytivia	28-9034-71	Used for purification of PCR amplicons and DNA fragments.
EDTA	Applichem	131026.1211	Used for DNA electrophoresis
Electroporation cuvettes 2 mm gap	VWR	732-1133	Used for transformation
Ethidium bromide	Applichem	A1152,0025	Use for DNA visualization
HyperLadder 1 Kb marker	Bioline	BIO-33053	DNA marker
Invitrogen Easy-DNA gDNA Purification Kit	Invitrogen	10750204	Used for bacterial chromosomal DNA purification
Luria-Bertani (LB) Miller agar	Condalab	996	Used for Escherichia coli culture
Luria-Bertani (LB) Miller broth	Condalab	1551	Used for Escherichia coli culture
Nanodrop ND-1000	NanoDrop Techonologies Inc		Spectrophotometer used for DNA quantification
Rifampicin	Applichem	A2220,0005	Used for triparental mating
SOC Medium	Invitrogen	15544034	Used for electroporation recovery
Spectinomycin	Applichem	A3834,0005	Used for triparental mating
SW 41 Ti Swinging-Bucket Rotor	Beckman	331362	Used for flagella purification
T4 DNA ligase	Invitrogen	15224017	Used for ligation reaction
Trypticasein soy agar	Condalab	1068	Used for Aeromonas grown
Trypticasein soy broth	Condalab	1224	Used for Aeromonas grown
Tryptone	Condalab	1612	Use for motility analysis
Tris	Applichem	A2264,0500	Used for DNA electrophoresis and flagella purification
Triton X-100	Applichem	A4975,0100	Used for bacterial lysis
Ultra Clear tubes (14 mm x 89 mm)	Beckman	344059	Used for flagella purification
Veriti 96 well Thermal Cycler	Applied Biosystems		Used for PCR reactions
Zyppy Plasmid Miniprep II Kit	Zymmo research	D4020	Used for isolation of plasmid DNA