Дрожжи деления как платформа для антибактериального скрининга лекарств, нацеленных на белки цитоскелета бактерий
Summary
Дрожжи деления используются здесь в качестве гетерологичного хозяина для экспрессии бактериальных цитоскелетных белков, таких как FtsZ и MreB, в качестве трансляционных гибридных белков с GFP для визуализации их полимеризации. Кроме того, соединения, влияющие на полимеризацию, идентифицируются с помощью визуализации с помощью флуоресцентного микроскопа.
Abstract
Бактериальные цитоскелетные белки, такие как FtsZ и MreB, выполняют важные функции, такие как деление клеток и поддержание их формы. Кроме того, FtsZ и MreB стали важными мишенями для открытия новых противомикробных препаратов. Было разработано несколько анализов для идентификации соединений, нацеленных на связывание нуклеотидов и полимеризацию этих белков цитоскелета, в первую очередь ориентированных на FtsZ. Более того, многие из анализов являются либо трудоемкими, либо дорогостоящими, и выяснение того, являются ли эти белки клеточной мишенью препарата, часто требует нескольких методов. Наконец, токсичность препаратов для эукариотических клеток также представляет проблему. Здесь мы описываем одноэтапный клеточный анализ для обнаружения новых молекул, нацеленных на бактериальный цитоскелет, и минимизации попаданий, которые могут быть потенциально токсичными для эукариотических клеток. Дрожжи деления поддаются высокопроизводительному скринингу, основанному на микроскопии, и визуальный экран может легко идентифицировать любую молекулу, которая изменяет полимеризацию FtsZ или MreB. В нашем анализе используется стандартный 96-луночный планшет, и он полагается на способность бактериальных цитоскелетных белков полимеризоваться в эукариотической клетке, такой как дрожжи деления. Хотя описанные здесь протоколы предназначены для дрожжей деления и используют FtsZ из золотистого стафилококка и MreB из кишечной палочки, они легко адаптируются к другим бактериальным белкам цитоскелета, которые легко собираются в полимеры в любых эукариотических экспрессирующих хозяевах. Описанный здесь метод должен помочь в дальнейшем открытии новых противомикробных препаратов, нацеленных на бактериальные цитоскелетные белки.
Introduction
Широко распространенная устойчивость почти ко всем антибиотикам, используемым в настоящее время для борьбы с бактериальными инфекциями, создала немедленную потребность в новых категориях антибиотиков. В отчете за 2019 год указано, что устойчивые к антибиотикам инфекции привели к потере 1,27 миллиона жизней, что в общей сложности составило 4,95 миллиона смертей, если учитывать осложнения от резистентных бактериальных инфекций1. Несмотря на то, что антибиотики по-прежнему эффективны в клинической практике, они преимущественно нацелены на узкий спектр клеточных процессов, в первую очередь фокусируясь на клеточной стенке, ДНК и синтезе белка. За последние полвека менее 30 белков были коммерчески использованы в качестве мишеней для разработки новыхантибактериальных 2,3. Этот ограниченный диапазон жизнеспособных мишеней значительно ограничивает открытие новых антибиотиков или их производных для борьбы с устойчивыми к антибиотикам бактериями. Таким образом, для преодоления возникающей проблемы устойчивости к антибиотикам существует необходимость в разработке новых антибиотиков с новыми мишенями и механизмами действия.
Антибактериальная мишень в идеале должна быть важным компонентом роста бактериальных клеток, сохраняться у филогенетически разнообразных видов, демонстрировать наименьшую эукариотическую гомологию и быть доступной дляантибиотиков. С момента открытия бактериальных белков цитоскелета, участвующих в делении и поддержании клеточной формы, они стали многообещающим центром для разработкиантибактериальных соединений. Эти белки необходимы для жизнеспособности бактерий и играют ключевую роль в поддержании формы клеток (MreB, CreS), делении (FtsZ, FtsA) и сегрегации ДНК (ParM, TubZ, PhuZ, AlfA), сродни цитоскелету в эукариотических клетках. Примечательно, что FtsZ демонстрирует удивительно высокий уровень сохранения в широком спектре прокариотических организмов, в то время как MreB обнаружен почти во всех палочковидных бактериях. Такое широкое распространение и значимость для жизнеспособности клеток делают эти белки увлекательной мишенью в исследованиях антибиотиков 5,6,7.
Крайне важно принять многосторонний подход, который сочетает в себе наблюдения in vivo, взаимодействия in vitro и ферментативные эксперименты для тщательной проверки белков цитоскелета бактерий в качестве основной мишени потенциального ингибитора7. Трудоемкие процедуры или значительные затраты затрудняют многие доступные анализы для этой цели. Это заметные препятствия для их широкого использования в скрининге соединений свинца, которые могут повлиять на цитоскелет бактерий. Среди них микроскопия выделяется как исключительно эффективный и быстрый метод оценки эффективности соединений путем непосредственного изучения изменений в морфологии клеток. Тем не менее, гетероассоциация белка-мишени с другими комплексами цитоскелета, косвенные эффекты из-за нецелевого связывания и изменений мембранного потенциала, трудности в эффективном проникновении в клетку и наличие насосов оттока, особенно у грамотрицательных бактерий, в совокупности затрудняют точное определение причины деформации бактериальной клетки 8,9,10.
Schizosaccharomyces pombe, или дрожжи деления, как их обычно называют, представляют собой палочковидный одноклеточный эукариотический организм. Дрожжи деления широко используются в качестве модельного организма в клеточной и молекулярной биологии из-за необычайного сохранения в клеточных процессах, таких как клеточный цикл и деление, клеточная организация и репликация хромосом с высшими эукариотами, включая человека11,12. Кроме того, Эррингтон и коллеги экспрессировали локализованный на полюсе бактериальный цитоскелетный белок DivIVA в дрожжах деления, чтобы продемонстрировать, что DivIVA накапливается на отрицательно изогнутых поверхностях13. Опять же, Баласубраманиан и его коллеги впервые установили дрожжи деления в качестве клеточной модельной системы, чтобы по-новому взглянуть на механизм, сборку и динамику белка цитоскелета актина E. coli, такого как MreB14 и гомолог тубулина FtsZ15. Они также демонстрируют способность A22 эффективно препятствовать полимеризации MreB с помощью эпифлуоресцентной микроскопии при экспрессии в дрожжах14. После этого другие группы также успешно использовали дрожжи деления для изучения свойств сборки белков хлоропластов FtsZ1 и FtsZ216. Совсем недавно мы установили доказательство жизнеспособности использования дрожжей деления в качестве клеточной платформы для специфического скрининга бактериальных ингибиторов цитоскелета, проведя всестороннюю оценку воздействия трех известных ингибиторов FtsZ — сангвинарина, берберина и PC190723 — на белки FtsZ, полученные из двух патогенных бактерий, а именно Staphylococcus aureus и Helicobacter pylori17. Кроме того, этот одноэтапный клеточный анализ играет важную роль в минимизации риска выявления соединений, которые могут быть потенциально токсичными для эукариотических клеток.
В этом отчете, используя систему деления дрожжей, мы предлагаем систематический рабочий процесс с использованием стандартного 96-луночного планшета для полуавтоматического скрининга и количественной оценки эффекта низкомолекулярных ингибиторов, нацеленных на FtsZ из Staphylococcus aureus и MreB из Escherichia coli. Здесь мы настраиваем и оптимизируем полуавтоматический рабочий процесс с использованием установленных ингибиторов PC190723 и A22, которые специально нацелены на FtsZ и MreB соответственно. В этом рабочем процессе используется эпифлуоресцентный микроскоп, оснащенный моторизованным высокоточным столиком, и автоматический сбор изображений в стандартном 96-луночном планшете для улучшения текущей стандартизации. Следовательно, его можно применять как для средних, так и для высокопроизводительных экранов библиотек синтетических химических веществ и обходит некоторые из перечисленных выше проблем.
Protocol
Representative Results
Discussion
Устойчивость к противомикробным препаратам (УПП) представляет собой серьезную глобальную угрозу здоровью, и существует острая потребность в новых антибиотиках с новыми мишенями. Бактериальный цитоскелет стал привлекательной мишенью для разработки новых антибиотиков, с низкомолекул…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
SMP, SR и AKS признают стипендии, полученные от Национального института научного образования и исследований, Департамент атомной энергии. RS признает внутреннюю финансовую поддержку со стороны Департамента атомной энергии, и эта работа поддерживается за счет исследовательского гранта RS (BT/PR42977/MED/29/1603/2022) от Департамента биотехнологии (DBT). Авторы также выражают признательность В. Бадиринатху Конкималле за его комментарии, предложения и обсуждения на протяжении всей разработки протокола.
Materials
| 96 Well CC2 Optical CVG Sterile, w/Lid. Black | Thermo Scientific™ | 160376 | |
| 96-well plate | Corning | CLS3370 | |
| A22 Hydrochloride | Sigma | SML0471 | Dissolved in DMSO |
| Adenine | FormediumTM | DOC0229 | 225 mg/L of media |
| Concanavalin A | Sigma | C5275-5MG | |
| DMSO | Sigma | 317275 | |
| Edinburg minimal medium (EMM Agar or EMM Broth) | FormediumTM | PMD0210 | See below for composition |
| EDTA | Sigma | EDS-500G | |
| epMotion® 96 with 2-position slider | Eppendorf | 5069000101 | |
| Histidine | FormediumTM | DOC0144 | 225 mg/L of media |
| Leica DMi8 inverted fluorescence microscope | Leica Microsystems | German company | |
| Leucine | FormediumTM | DOC0157 | 225 mg/L of media |
| Lithium acetate | Sigma | 517992-100G | |
| PC190723 | Merck | 344580 | Dissolved in DMSO |
| Polyethylene glycol (PEG) | Sigma | 202398 | |
| Thiamine | Sigma | T4625 | Filter sterilised |
| Tris-Hydrochloride | MP | 194855 | |
| Uracil | FormediumTM | DOC0214 | 225 mg/L of media, Store solution at 36°C |
| YES (Yeast extract + supplements) Agar | FormediumTM | PCM0410 | See below for composition |
| YES (Yeast extract + supplements) Broth | FormediumTM | PCM0310 | See below for composition |
| Yeast (S. pombe) media | |||
| Yeast extract + supplements (YES) | |||
| Composition | g/L | ||
| Yeast extract | 5 | ||
| Dextrose | 30 | ||
| Agar | 17 | ||
| Adenine | 0.05 | ||
| L-Histidine | 0.05 | ||
| L-Leucine | 0.05 | ||
| L-Lysine HCl | 0.05 | ||
| Uracil | 0.05 | ||
| Edinburg minimal medium (EMM) | |||
| Composition | g/L | concentration | |
| potassium hydrogen phthallate | 3 | 14.7mM | |
| Na2HPO4 | 2.2 | 15.5 mM | |
| NH4Cl | 5 | 93.5 mM | |
| glucose | 2% (w/v) or 20 g/L | 111 mM | |
| Salts (stock x 50) | 20 mL/L (v/v) | ||
| Vitamins (stock x 1000) | 1 mL/L (v/v) | ||
| Minerals (Stock x 10,000) | 0.1 mL/L (v/v) | ||
| Salts x 50 | 52.5 g/l MgCl2.6H20 (0.26 M) | 52.5 | 0.26 M |
| 0.735 mg/l CaCl2.2H20 (4.99 mM) | 0.000735 | 4.99 mM | |
| 50 g/l KCl (0.67 M) | 50 | 0.67 M | |
| 2 g/l Na2SO4 (14.l mM) | 2 | 14.1 mM | |
| Vitamins x 1000 | 1 g/l pantothenic acid | 1 | 4.20 mM |
| 10 g/l nicotinic acid | 10 | 81.2 mM | |
| 10 g/l inositol | 10 | 55.5 mM | |
| 10 mg/l biotin | 0.01 | 40.8 µM | |
| Minerals x 10,000 | boric acid | 5 | 80.9 mM |
| MnSO4 | 4 | 23.7 mM | |
| ZnSO4.7H2O | 4 | 13.9 mM | |
| FeCl2.6H2O | 2 | 7.40 mM | |
| molybdic acid | 0.4 | 2.47 mM | |
| KI | 1 | 6.02 mM | |
| CuSO4.5H2O | 0.4 | 1.60 mM | |
| citric acid | 10 | 47.6 mM | |
| Strains/ Plasmids | |||
| Strains | Description | Reference | |
| CCD190 | Escherichia coli DH10β | Invitrogen | |
| CCDY4 | MBY3532; CCDY346/pREP42- GFP-EcMreB | Srinivasan et al., 2007 | |
| CCDY340 | CCDY346/pREP42- SaFtsZ-GFP | Sharma et al., 2023 | |
| CCDY346 | MBY192; Schizosaccharomyces pombe [ura4-D18, leu1-32, h-] | Dr. Mithilesh Mishra (DBS, TIFR) | |
| Plasmids | |||
| pCCD3 | pREP42-GFP-EcMreB | Srinivasan et al., 2007 | |
| pCCD713 | pREP42-SaFtsZ-GFP | Sharma et al., 2023 |
References
- Antimicrobial Resistance Collaborators. Global burden of bacterial antimicrobial resistance in 2019: a systematic analysis. Lancet. 399 (10325), 629-655 (2022).
- Haselbeck, R., et al. Comprehensive essential gene identification as a platform for novel anti-infective drug discovery. Curr Pharma Des. 8 (13), 1155-1172 (2002).
- Wang, J., et al. Discovery of a small molecule that inhibits cell division by blocking FtsZ, a novel therapeutic target of antibiotics. J Biol Chem. 278 (45), 44424-44428 (2003).
- Sanchez, S., Demain, A. L. . Antibiotics: current innovations and future trends. , (2015).
- Vollmer, W. The prokaryotic cytoskeleton: a putative target for inhibitors and antibiotics. Appl Microbiol Biotechnol. 73 (1), 37-47 (2006).
- Vollmer, W. Targeting the bacterial Z-ring. Chem Biol. 15 (2), 93-94 (2008).
- Kusuma, K. D., Payne, M., Ung, A. T., Bottomley, A. L., Harry, E. J. FtsZ as an antibacterial target: status and guidelines for progressing this avenue. ACS Infect Dis. 5 (8), 1279-1294 (2019).
- Kaul, M., Zhang, Y., Parhi, A. K., Lavoie, E. J., Pilch, D. S. Inhibition of RND-type efflux pumps confers the FtsZ-directed prodrug TXY436 with activity against Gram-negative bacteria. Biochem Pharmacol. 89 (3), 321-328 (2014).
- Casiraghi, A., Suigo, L., Valoti, E., Straniero, V. Targeting bacterial cell division: A binding site-centered approach to the most promising inhibitors of the essential protein FtsZ. Antibiotics. 9 (2), 69 (2020).
- Piddock, L. J. V. Multidrug-resistance efflux pumps – not just for resistance. Nat Rev. Microbiol. 4 (8), 629-636 (2006).
- Käufer, N. F., Simanis, V., Nurse, P. Fission yeast Schizosaccharomyces pombe correctly excises a mammalian RNA transcript intervening sequence. Nature. 318 (6041), 78-80 (1985).
- Vyas, A., Freitas, A. V., Ralston, Z. A., Tang, Z. Fission yeast Schizosaccharomyces pombe: A unicellular micromammal model organism. Curr Prot. 1 (6), e151 (2021).
- Edwards, D. H., Thomaides, H. B., Errington, J. Promiscuous targeting of Bacillus subtilis cell division protein DivIVA to division sites in Escherichia coli and fission yeast. EMBO J. 19 (11), 2719-2727 (2000).
- Srinivasan, R., Mishra, M., Murata-Hori, M., Balasubramanian, M. K. Filament formation of the Escherichia coli actin-related protein, MreB, in fission yeast. Curr Biol. 17 (3), 266-272 (2007).
- Srinivasan, R., Mishra, M., Wu, L., Yin, Z., Balasubramanian, M. K. The bacterial cell division protein FtsZ assembles into cytoplasmic rings in fission yeast. Gene Dev. 22 (13), 1741-1746 (2008).
- TerBush, A. D., Osteryoung, K. W. Distinct functions of chloroplast FtsZ1 and FtsZ2 in Z-ring structure and remodeling. J Cell Biol. 199 (4), 623-637 (2012).
- Sharma, A. K., et al. A mechanism of salt bridge-mediated resistance to FtsZ inhibitor PC190723 revealed by a cell-based screen. Mol Biol Cell. 34 (3), ar16 (2023).
- Basi, G., Schmid, E., Maundrell, K. TATA box mutations in the Schizosaccharomyces pombe nmt1 promoter affect transcription efficiency but not the transcription start point or thiamine repressibility. Gene. 123 (1), 131-136 (1993).
- Moreno, M. B., Durán, A., Carlos Ribas, J. A family of multifunctional thiamine-repressible expression vectors for fission yeast. Yeast. 16 (9), 861-872 (2000).
- Green, M. R., Sambrook, J. Caring for Escherichia coli. Cold Spring Harb Protoc. , (2018).
- Green, M. R., Sambrook, J. Isolation and quantification of DNA. Cold Spring Harb Protoc. , (2018).
- Bähler, J., et al. Heterologous modules for efficient and versatile PCR-based gene targeting in Schizosaccharomyces pombe. Yeast. 14 (10), 943-951 (1998).
- Pande, V., Mitra, N., Bagde, S. R., Srinivasan, R., Gayathri, P. Filament organization of the bacterial actin MreB is dependent on the nucleotide state. J Cell Biol. 221 (5), e202106092 (2022).
- Schindelin, J., et al. Fiji: an open-source platform for biological-image analysis. Nat Meth. 9 (7), 676-682 (2012).
- Zhang, L. Machine learning for enumeration of cell colony forming units. Vis Comput Ind Biomed Art. 5 (1), 26 (2022).
- Moen, E., et al. Deep learning for cellular image analysis. Nat Meth. 16 (12), 1233-1246 (2019).
- Higaki, T. Quantitative evaluation of cytoskeletal organizations by microscopic image analysis. Plant Morphol. 29 (1), 15-21 (2017).
- Henty-Ridilla, J. L., Li, J., Day, B., Staiger, C. J. ACTIN DEPOLYMERIZING FACTOR4 regulates actin dynamics during innate immune signaling in Arabidopsis. Plant Cell. 26 (1), 340-352 (2014).
- Boudaoud, A., et al. an ImageJ plug-in to quantify fibrillar structures in raw microscopy images. Nat Protoc. 9 (2), 457-463 (2014).
- Butler, M. S., Paterson, D. L. Antibiotics in the clinical pipeline in October 2019. J Antibio. 73 (6), 329-364 (2019).
- Andreu, J. M., Huecas, S., Araújo-Bazán, L., Vázquez-Villa, H., Martín-Fontecha, M. The search for antibacterial inhibitors targeting cell division protein ftsz at its nucleotide and allosteric binding sites. Biomedicines. 10 (8), 1825 (2022).
- Vještica, A., et al. A toolbox of stable integration vectors in the fission yeast Schizosaccharomyces pombe. J Cell Sci. 133 (1), jcs240754 (2020).
- Berg, S., et al. ilastik: interactive machine learning for (bio)image analysis. Nat Meth. 16 (12), 1226-1232 (2019).
- Shaevitz, J. W., Gitai, Z. The structure and function of bacterial actin homologs. Cold Spring Harb Pers Biol. 2 (9), a000364 (2010).
- Hoffman, C. S., Wood, V., Fantes, P. A. An ancient yeast for young geneticists: A primer on the Schizosaccharomyces pombe model system. 유전학. 201 (2), 403-423 (2015).
- Aoi, Y., et al. Dissecting the first and the second meiotic divisions using a marker-less drug-hypersensitive fission yeast. Cell Cycle. 13 (8), 1327-1334 (2014).
- Zhang, J., et al. Improving drug sensitivity of HIV-1 protease inhibitors by restriction of cellular efflux system in a fission yeast model. Pathogens. 11 (7), 804 (2022).
