הביטוי, טיהור, פעילות אנטי מיקרוביאלית של S100A12
Summary
כאן, אנו מציגים שיטה להביע ולטהר S100A12 (calgranulin C). אנו מתארים פרוטוקול למדידת פעילות אנטי מיקרוביאלית שלו נגד הפתוגן האנושי H. pylori .
Abstract
חלבונים Calgranulin הם מתווכים חשובים של חסינות מולדת הם חברי המעמד S100 של המשפחה EF יד של חלבונים מחייב סידן. כמה חלבונים S100 יש את היכולת לקשור מתכות המעבר עם זיקה גבוהה ביעילות לשלוף אותם מן הפתוג חיידקים פתוגנים בתהליך זה כינה "חסינות תזונתיים". S100A12 (EN-RAGE) מחייב הן אבץ והן נחושת, והוא שופע בתאי חיסון מולדים כגון מקרופאגים ונויטרופילים. אנו מדווחים על שיטה מעודנת לביטוי, העשרה וטיהור של S100A12 בתצורה הפעילה והמתכתבת. ניצול של חלבון זה בצמיחה חיידקים וניתוחי חיוניות מגלה כי S100A12 יש פעילות מיקרוביאלית נגד הפתוגן חיידק , Helicobacter pylori . הפעילות המיקרוביאלית מבוססת על פעילות מחייב אבץ של S100A12, אשר chelates אבץ מזין, ובכך רעב H. pylori אשר דורש אבץ לצמיחה pרוליפרציה.
Introduction
S100 חלבונים הם מחלקה של EF יד המשפחה של סידן מחייב חלבונים עם מגוון רחב של פונקציות 1 . הם באים לידי ביטוי באופן רקמות תא ספציפי, לווסת מגוון רחב של פונקציות הסלולר 2 , 3 . ייחודי חלבונים סידן מחייב, חלבונים S100 התערוכה הן פונקציות תאיים תאיים 4 , 5 . בתוך התא, Ca 2 + מחייב גורם לשינוי קונפורמציה החושפת משטח הידרופובי כי מטרות ספציפיות חלבון מחייב שותפים 6 . מנגנון תאיים זה מסדיר תהליכים חשובים כגון התפשטות תאים, התמיינות ואנרגיה מטבוליזם. בסביבה תאית, S100 חלבונים התערוכה שתי פונקציות 7 . באחד מהם, הם פועלים כנזק הנלווה לחלבון המולקולרי (DAMP) ויוצרים פרו-דלקתהתגובה החיסונית אטורי באמצעות אינטראקציה עם קולטנים הכרה דפוס 8 , 9 . בנוסף, כמה חברים של מחלקה S100 חלבון sequester המעבר מתכות, פונקציה המשמשת להרעב פתוגנים חיידקים בתהליך המכונה החסינות התזונתיים 10 , 11 .
S100A12 (הידוע גם בשם calgranulin C ו- EN-RAGE) מתבטאת מאוד מקרופאגים ונויטרופילים ו זוהו כסימן ביולוגי פוטנציאלי למחלות דלקתיות 12 , 13 . בנוסף סידן מחייב באתרי EF-Hand שלה, S100A12 יש שני זיקה גבוהה מתכת מחייב אתרים הממוקם בקצה השני של ממשק dimer 14 , 15 . כל אתר מחייב מורכב משלושה שאריות histidine ושאריות חומצה אחת aspartic והוא יכול chelate אבץ או נחושת <Sup class = "xref"> 16 , 17 . לאחרונה, דיווחנו כי רעב אבץ תלוי S100A12 חשוב בויסות הצמיחה של הליקובקטר פילורי ופעילותם של גורמים ארסתיים דלקתיים 18 .
H. pylori מדביק את הבטן של כמחצית מאוכלוסיית האדם בעולם; מה שהופך אותו ללא ספק לאחד הפתוגנים החיידקים המצליחים ביותר 19 . זיהום עם H. pylori יכול להוביל לתוצאות משמעותיות של מחלת קיבה, כולל גסטריטיס, כיב פפטי ותריסריון, רירית לימפומה לימפומה (MALT), וכן אדנוקרצינומה קיבה פולשנית (סרטן הקיבה). סרטן הקיבה הוא הגורם המוביל למוות שאינו קשור לסרטן בסרטן בעולם, וגורם הסיכון הגדול ביותר הקשור לסרטן הקיבה הוא זיהום ב- H. pylori .
H. pylori נמשכת נישה קיבה למרות robuSt התגובה החיסונית הפתוגן, מדגיש את הצורך בהבנה טובה יותר של מנגנוני החיסון של שליטה זה זיהום חיידקי 20 , 21 , 22 , 23 . H. pylori – דלקת נלווה מאופיינת בחדירה עמוקה של תאים פולימורפונומיים, או נויטרופילים, המפקידים רפרטואר של חלבונים אנטי-מיקרוביאליים, כולל S100A12, באתר ההדבקה 18 , 24 , 25 . במאמץ להבין את הדיאלוג המורכב בין המארח לבין הפתוגן, ביקשנו לחדד את הטכניקה לטהר את S100A12 ולהשתמש בה כדי לחקור את המיקרוביאליות שמשפיעה על הפתוגן הרלוונטי מבחינה רפואית. פרוטוקול להלן מתאר טכניקה משופרת לטיהור S100A12 במצב פעיל ביולוגית שלה; המסוגל לחייב מתכות מזין עם אפיני גבוההTy ו chelating אותם מן הפולש מיקרואורגניזמים. יתר על כן, השיטות להלן מדגישות את התועלת של חלבון זה כמגיב קריטי כדי לחקור את המנגנון שבו מולקולות מולקולות מולדות להגביל את הצמיחה של פתוגנים חיידקיים.
S100A- חלבונים משפחתיים זכו להערכה כקבוצה חשובה של מולקולות מערכת החיסון המולדת אשר משתתפים איתות החיסון וכן ההגנה המארח 27 . המחקר הטוב ביותר של אלה הוא calprotectin (MRP-8/14, calgranulin A / B, S100A8 / A9) 28 , 29 , 30 . Calprotectin הוא נויטרופיל הקשורים חלבון אשר יוצר heterodimer של S100A8 ו S100A9 יחידות משנה אשר נקשר מתכות המעבר בממשק dimer 31 . Calprotectin הוכח להחזיק שני אתרי מחייב מתכת: אתר 1 יכול לקשור Zn 2 + , Mn 2 + , או Fe 2 + , ואת האתר 2 יכול כץ Zn 2+ 31 , 32 . דיווחים רבים הוכיחו שלקאלפרוקטין יש פעילות אנטי-מיקרוביאלית נגד גורמים שונים כגון Staphylococcus aureus , קנדידה אלביקנס , Acinetobacter baumannii , דלקת ריאות של קלבסילה , Escherichia coli ו- H. pylori , וכי ההשפעות המעכבות נובעות מפעולת הקלציה המתכתית של calprotectin 25 , 28 , חשוב
מחקרים קודמים הראו כי פעילות ה- Calprotectin מפעילה מספר רב של פעילויות על H. pylori, כולל שינוי השומנים מבנה בקרום החיצוני, הדחקה של מערכת הפרשת הטיפוס הרביעי (שהיא גורם ארסי פרו-דלקתני משמעותי בתוך H. pylori ), יצירת היווצרות ביופילם והדחקה H. pylori הצמיחה ואת הכדאיות באופן תלוי מינוןClass = "xref"> 25 , 33 . יתר על כן, בדיקות גנטיות וביוכימיות חשפו את הפעילות האנטיבקטריאלית של קלפרוטקטין כנגד H. pylori נבעה ברובה מיכולתה לקשור אבץ מזין 25 . H. pylori דורש אבץ, כפי שנקבע על ידי מחקר קודם אשר ניצל בינוני מוגדר כימית כדי לוודא את הדרישות micronutrient עבור הפתוגן הזה לגדול ולהתרבות 34 . בנוסף, קלפרוקטין היה שופע מאוד בתוך רקמות נגועות ב H. pylori , והוא קשור לחדירים נויטרופילים, דבר המצביע על כך שהמארח עשוי להעסיק את ה- Calprotectin כאסטרטגיה אנטי-מיקרוביאלית במהלך ההדבקה ודלקת שלאחר מכן , 25 , 35 .
עדויות חדשות מ טכניקות הקרנה proteomics unbiased עולה כי בתנאים בהם מינים חמצן תגובתי בשפע, calprotecפח עובר שינויים לאחר טרנסלוציאציה אשר משנים את האתר מחייב hexa histidine, ובכך מעכב את הפעילות מחייב מתכת של חלבון 36 . ככזה, שיערנו כי חלבונים אחרים של משפחת S100A בין הרפרטואר הרחב של המולקולות הללו עשויים לשמש ככלי עזר-מתכת עזר. בחרנו את S100A12 לצורך מחקר נוסף, משום שהוא לא זוהה במסך הנ"ל לתמורות פוסט-טרנסלציוניות, יש לו את היכולת לקשור אבץ, והוא שופע מאוד ברקמות אנושיות הנגזרות מאנשים של H. pylori- infected.
העבודה שלנו מצביעה על כך ש- S100A12 יכול לעכב את צמיחת ה- H. pylori ואת הכדאיות במינון תלוי במינון G27 של H. pylori , וכי פעילות מיקרוביאלית של חלבון זה יכולה להפוך על ידי תוספת של אבץ מזין עודף. עבודה זו משלימה את העבודה הקודמת שלנו המעידה על פעילות מיקרוביאלית של S100A12 נגד PMSS1 ו- 7.13 זנים של H. pylori , מדגים פעילות אנטיבקטריאלית רחבה נגד מבודדים קליניים רבים זנים מותאמים למעבדה של H. pylori 18 . יחד, תוצאות אלה מאשרות את החשיבות של S100A12 כמנגנון לבקרה על צמיחה וחיידקים בקטריאליים באמצעות חסינות תזונתיים. מחקרים עתידיים על אינטראקציה חשובה זו של חיידק מארח יכולים לכלול ניצול של הפעילות של S100A12 כדי להפחית את נטל החיידקים ברקמות המארחות, או לקבוע את תרומתו של חלבון זה לחיבור החיסון בהקשר של זיהום H. pylori .
Protocol
Representative Results
Discussion
פרוטוקול יעיל הן ביטוי וטיהור האדם S100A12 מוצג. מערכת ביטוי קולי קולי הוא הכלי הנפוץ ביותר המשמש לייצור חלבונים רקומביננטי, במיוחד כאשר כמויות מ"ג נדרשים מחקרים ביוכימיים וביופיסיקליים. שיפור המפתח של הנוהל המתואר כאן הוא השימוש של אוטומטי אינדוקציה מדיה <sup class…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מחקר זה נתמך על ידי המחלקה לענייני יוצאי צבא קריירה פרס פיתוח 1IK2BX001701, CTSA פרס UL1TR000445 מהמרכז הלאומי לקידום מדעי התרגום, הקרן הלאומית למדע פרסים 1547757 ו 1400969, ומענק NIH GM05551. התוכן שלה הם באחריותם הבלעדית של המחברים ואינם מייצגים בהכרח דעות רשמיות של המרכז הלאומי לקידום מדעי התרגום או המכונים הלאומיים לבריאות.
Materials
| S100A12 Expression | ||
| Expression cells | ||
| BL 21 (DE3) competent cells | New England Biolabs | C25271 |
| Autoinduction medium components | ||
| Yeast Extract | Research Products International | Y20020-250.0 |
| NaCl | Research Products International | S23020-500.0 |
| Tryptone | Research Products International | T60060-250.0 |
| FeCl3 | Sigma-Aldrich | F2877 |
| MgSO4 | Research Products International | M65240-100.0 |
| Na2HPO4 | Research Products International | S23100-500.0 |
| KH2PO4 | Research Products International | P41200-500.0 |
| NH4Cl | Research Products International | A20424-500.0 |
| Na2SO4 | Research Products International | S25150-500.0 |
| Glycerol | Research Products International | G22020-1.0 |
| D-glucose | Research Products International | G32040-500.0 |
| lactose | Sigma-Aldrich | L2643 |
| Selection agent | ||
| ampicillin | Research Products International | A40040-5.0 |
| S100A12 Purification | ||
| AKTA Start Chromatography System | GE | 29-220-94 |
| HiTrap Q Sepharaose Fast Flow | GE | 17-5156-01 |
| HiPrep 16/60 S-200 HR | GE | 17-1166-01 |
| Nanodrop lite spectrophotometer | Thermo Fisher Scientific | ND-LITE |
| Tris Base | Research Products International | T60040-1000.0 |
| H. pylori Culture | ||
| Blood agar plates | Lab Supply Company | BBL221261 |
| Brucella broth | Sigma-Aldrich | B3051 |
| Cholesterol (250X) | Thermo Fisher Scientific | 12531018 |
| NaCl | Sigma-Aldrich | 793566 |
| CaCl2 | Sigma-Aldrich | C4901 |
| β-mercaptoethanol | Sigma-Aldrich | M6250 |
| Tris Base | Sigma-Aldrich | T1503 |
| Zinc Chloride | Sigma-Aldrich | 229997 |
References
- Schiopu, A., Cotoi, O. S. S100A8 and S100A9: DAMPs at the crossroads between innate immunity, traditional risk factors, and cardiovascular disease. Mediators Inflamm. 2013, 828354 (2013).
- Chen, B., et al. S100A9 induced inflammatory responses are mediated by distinct damage associated molecular patterns (DAMP) receptors in vitro and in vivo. PLoS One. 10 (2), e0115828 (2015).
- Chernov, A. V., et al. The calcium-binding proteins S100A8 and S100A9 initiate the early inflammatory program in injured peripheral nerves. J Biol Chem. 290 (18), 11771-11784 (2015).
- Fanjul, M., et al. Presence of MRP8 and MRP14 in pancreatic cell lines: differential expression and localization in CFPAC-1 cells. Am J Physiol. 268 (5 Pt 1), C1241-C1251 (1995).
- Vogl, T., Gharibyan, A. L., Morozova-Roche, L. A. Pro-inflammatory S100A8 and S100A9 proteins: self-assembly into multifunctional native and amyloid complexes. Int J Mol Sci. 13 (3), 2893-2917 (2012).
- Smith, S. P., Shaw, G. S. A change-in-hand mechanism for S100 signalling. Biochem Cell Biol. 76 (2-3), 324-333 (1998).
- Bresnick, A. R., Weber, D. J., Zimmer, D. B. S100 proteins in cancer. Nat Rev Cancer. 15 (2), 96-109 (2015).
- Leclerc, E., Heizmann, C. W. The importance of Ca2+/Zn2+ signaling S100 proteins and RAGE in translational medicine. Front Biosci (Schol Ed). 3, 1232-1262 (2011).
- Goyette, J., Geczy, C. L. Inflammation-associated S100 proteins: new mechanisms that regulate function. Amino Acids. 41 (4), 821-842 (2011).
- Kehl-Fie, T. E., Skaar, E. P. Nutritional immunity beyond iron: a role for manganese and zinc. Curr Opin Chem Biol. 14 (2), 218-224 (2010).
- Zackular, J. P., Chazin, W. J., Skaar, E. P. Nutritional Immunity: S100 Proteins at the Host-Pathogen Interface. J Biol Chem. 290 (31), 18991-18998 (2015).
- Realegeno, S., et al. S100A12 Is Part of the Antimicrobial Network against Mycobacterium leprae in Human Macrophages. PLoS Pathog. 12 (6), e1005705 (2016).
- Perera, C., McNeil, H. P., Geczy, C. L. S100 Calgranulins in inflammatory arthritis. Immunol Cell Biol. 88 (1), 41-49 (2010).
- Moroz, O. V., et al. Structure of the human S100A12-copper complex: implications for host-parasite defence. Acta Crystallogr D Biol Crystallogr. 59 (Pt 5), 859-867 (2003).
- Moroz, O. V., Blagova, E. V., Wilkinson, A. J., Wilson, K. S., Bronstein, I. B. The crystal structures of human S100A12 in apo form and in complex with zinc: new insights into S100A12 oligomerisation. J Mol Biol. 391 (3), 536-551 (2009).
- Moroz, O. V., Dodson, G. G., Wilson, K. S., Lukanidin, E., Bronstein, I. B. Multiple structural states of S100A12: A key to its functional diversity. Microsc Res Tech. 60 (6), 581-592 (2003).
- Cunden, L. S., Gaillard, A., Nolan, E. M. Calcium Ions Tune the Zinc-Sequestering Properties and Antimicrobial Activity of Human S100A12. Chem Sci. 7 (2), 1338-1348 (2016).
- Haley, K. P., et al. The Human Antimicrobial Protein Calgranulin C Participates in Control of Helicobacter pylori Growth and Regulation of Virulence. Infect Immun. 83 (7), 2944-2956 (2015).
- Cover, T. L., Blaser, M. J. Helicobacter pylori in health and disease. Gastroenterology. 136 (6), 1863-1873 (2009).
- Tham, K. T., et al. Helicobacter pylori genotypes, host factors, and gastric mucosal histopathology in peptic ulcer disease. Hum Pathol. 32 (3), 264-273 (2001).
- Wotherspoon, A. C., Ortiz-Hidalgo, C., Falzon, M. R., Isaacson, P. G. Helicobacter pylori-associated gastritis and primary B-cell gastric lymphoma. Lancet. 338 (8776), 1175-1176 (1991).
- Correa, P., Piazuelo, M. B. The gastric precancerous cascade. J Dig Dis. 13 (1), 2-9 (2012).
- de Martel, C., Forman, D., Plummer, M. Gastric cancer: epidemiology and risk factors. Gastroenterol Clin North Am. 42 (2), 219-240 (2013).
- Algood, H. M., Gallo-Romero, J., Wilson, K. T., Peek, R. M., Cover, T. L. Host response to Helicobacter pylori infection before initiation of the adaptive immune response. FEMS Immunol Med Microbiol. 51 (3), 577-586 (2007).
- Gaddy, J. A., et al. The host protein calprotectin modulates the Helicobacter pylori cag type IV secretion system via zinc sequestration. PLoS Pathog. 10 (10), e1004450 (2014).
- Studier, F. W. Stable expression clones and auto-induction for protein production in E. coli. Methods Mol Biol. 1091, 17-32 (2014).
- Gilston, B. A., Skaar, E. P., Chazin, W. J. Binding of transition metals to S100 proteins. Sci China Life Sci. 59 (8), 792-801 (2016).
- Corbin, B. D., et al. Metal chelation and inhibition of bacterial growth in tissue abscesses. Science. 319 (5865), 962-965 (2008).
- Kehl-Fie, T. E., et al. Nutrient metal sequestration by calprotectin inhibits bacterial superoxide defense, enhancing neutrophil killing of Staphylococcus aureus. Cell Host Microbe. 10 (2), 158-164 (2011).
- Liu, J. Z., et al. Zinc sequestration by the neutrophil protein calprotectin enhances Salmonella growth in the inflamed gut. Cell Host Microbe. 11 (3), 227-239 (2012).
- Damo, S. M., et al. Molecular basis for manganese sequestration by calprotectin and roles in the innate immune response to invading bacterial pathogens. Proc Natl Acad Sci U S A. 110 (10), 3841-3846 (2013).
- Nakashige, T. G., Zhang, B., Krebs, C., Nolan, E. M. Human calprotectin is an iron-sequestering host-defense protein. Nat Chem Biol. 11 (10), 765-771 (2015).
- Gaddy, J. A., et al. Helicobacter pylori Resists the Antimicrobial Activity of Calprotectin via Lipid A Modification and Associated Biofilm Formation. MBio. 6 (6), e01349-e01315 (2015).
- Testerman, T. L., Conn, P. B., Mobley, H. L., McGee, D. J. Nutritional requirements and antibiotic resistance patterns of Helicobacter species in chemically defined media. J Clin Microbiol. 44 (5), 1650-1658 (2006).
- Leach, S. T., Mitchell, H. M., Geczy, C. L., Sherman, P. M., Day, A. S. S100 calgranulin proteins S100A8, S100A9 and S100A12 are expressed in the inflamed gastric mucosa of Helicobacter pylori-infected children. Can J Gastroenterol. 22 (5), 461-464 (2008).
- Wilkie-Grantham, R. P., et al. Myeloperoxidase-dependent lipid peroxidation promotes the oxidative modification of cytosolic proteins in phagocytic neutrophils. J Biol Chem. 290 (15), 9896-9905 (2015).
