Рн-индуцируемое образование покоящихся форм микобактерий и роль аденилатциклазы в их реактивации
на правах рукописи
Кудыкина Юлия Константиновна рН-ИНДУЦИРУЕМОЕ ОБРАЗОВАНИЕ ПОКОЯЩИХСЯ ФОРМ МИКОБАКТЕРИЙ И РОЛЬ АДЕНИЛАТЦИКЛАЗЫ В ИХ РЕАКТИВАЦИИ специальность 03.01.04 – биохимия
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук
Москва – 2011
Работа выполнена в лаборатории биохимии стрессов микроорганизмов Учреждения Российской академии наук Института биохимии им. А. Н. Баха РАН
Научный консультант: доктор биологических наук, профессор А. С. Капрельянц
Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор О. В. Королева доктор биологических наук, профессор Л. П. Блинкова
Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г. К. Скрябина РАН
Защита состоится «22» декабря 2011 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета (Д 002.247.01) при Учреждении Российской академии наук Институте биохимии им. А. Н. Баха РАН по адресу: 119071, Москва, Ленинский проспект, д. 33, строение 2.
С диссертацией можно ознакомиться в Библиотеке биологической литературы РАН по адресу: 119071, Москва, Ленинский проспект, д. 33. стр.1.
Автореферат разослан «21» ноября 2011 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук А. Ф. Орловский
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. По данным ВОЗ, каждый третий человек на Земле латентно инфицирован возбудителем туберкулеза – Mycobacterium tuberculosis (МТБ), но до сих пор единого понимания природы латентного состояния и механизмов, посредством которых оно регулируется, не существует. Известно, что клетки МТБ могут сохраняться в организме человека в течение длительного периода времени в особом физиологическом нерепликативном (покоящемся) состоянии. Покоящиеся клетки МТБ, которые являются, как полагают многие авторы, причиной латентного туберкулеза, до сих пор не были выделены из тканей хозяина, так как их количество в инфицированных органах или тканях может быть крайне мало. Кроме того, покоящиеся клетки микобактерий могут быть условно «некультивируемыми» (т.е., не способными образовывать колонии на плотной среде, в норме обеспечивающей рост вегетативных клеток) и поэтому не обнаруживаются при посевах клинических образцов.
При попадании в организм микобактерии захватываются клетками иммунной системы – альвеолярными макрофагами. В активированных макрофагах микобактерии подвергаются воздействию активных форм кислорода и оксида азота, гидролитических ферментов лизосом, а также низких значений рН, но при этом полной гибели возбудителя туберкулеза не происходит. Более того, микобактерии способны выживать в неблагоприятных условиях внутренней среды макрофага, в том числе, при рН 6.1 - 6.5, возможно, переходя в состояние покоя [Biketov et al., 2000]. До сих пор остается неясным, какой из факторов может запускать процессы, приводящие к переходу из активного состояния в покоящееся. Поскольку вегетативные клетки микобактерий имеют высокую чувствительность к низким значениям рН окружающей среды, можно предположить, что снижение рН среды играет роль своеобразного триггера в процессах перехода клеток МТБ в состояние низкой метаболической активности или покоя. Для подтверждения этого предположения необходимы эксперименты in vitro, моделирующие адаптацию микобактерий к таким условиям. При изучении адаптации вегетативных клеток к стрессам и их перехода в пост-стационарных культурах в состояние покоя, целесообразно также учитывать скорость, с которой клетки бактерий подвергаются неблагоприятным внешним воздействиям. Так, в модели перехода микобактерий в нерепликативное состояние в условиях гипоксии (модель Вэйна) было показано, что быстрое истощение кислорода в культуре приводило к гибели большинства клеток МТБ, в то время как постепенное развитие гипоксии способствовало их переходу в покоящееся состояние без утраты культивируемости [Wayne et al., 1982]. Аналогично показанному в модели Вэйна, мы могли ожидать переход МТБ в состояние покоя при постепенном снижении рН среды.
Одним из наиболее важных аспектов, касающихся латентности туберкулеза, является изучение причин спонтанной активизации латентной формы туберкулеза с появлением жизнеспособных клеток возбудителя в органах и тканях. Ранее в данной лаборатории было обнаружено, что клетки микобактерий секретируют в среду культивирования белок Rpf, который позволяет реактивировать покоящиеся формы (ПФ) и стимулирует размножение вегетативных клеток [Kaprelyants et al., 1996;
Mukamolova et al., 1998].
Однако, для реализации Rpf–зависимой активации покоящихся клеток МТБ, необходимо наличие стартовой концентрации Rpf, синтез которого в покоящихся клетках, по-видимому, отсутствует. Нельзя исключить, что в этих условиях индуктором реактивации являются другие, более простые факторы, являющиеся продуктом метаболизма микобактерий. Однако, до сих пор такие индукторы не обнаружены. Известно, что клетки МТБ, находясь в организме, используют липиды хозяина в качестве источника углерода [Miner et al., 2009], поэтому поиск индукторов реактивации липидной природы нам представлялся перспективным.
На основании изложенных данных были сформулированы следующие цели и задачи данного исследования.
Цели и задачи работы. Целями данного исследования являлись изучение ответа микобактерий (M. smegmatis и M. tuberculosis) к постепенно развивающемуся кислотному стрессу, с акцентом на возможность формирования покоящихся клеток с измененной морфологией, а также поиск низкомолекулярных индукторов реактивации ПФ липидной природы. В соответствии с целями были поставлены следующие задачи:
1. Изучить возможность образования ПФ M. smegmatis и M.
tuberculosis в условиях постепенного снижения рН окружающей среды в стационарной фазе.
2. Провести микробиологическую и биохимическую характеристики полученных форм бактерий.
3. Осуществить поиск новых индукторов реактивации ПФ микобактерий липидной природы и выявить механизмы их действия.
Научная новизна работы. В настоящей работе впервые показано, что адаптация микобактерий M. smegmatis и M. tuberculosis в условиях постепенного снижения рН приводит к образованию специализированных структур, которые представлены укороченными овоидными формами с утолщенной клеточной стенкой. По сохранению жизнеспособности, устойчивости к повреждающим воздействиям, особенностям строения овоидные формы диких штаммов M. smegmatis и M. tuberculosis могут быть отнесены к покоящимся формам бактерий.
Модель рН-индуцируемого образования НК клеток с участием возбудителя туберкулеза, бактерии M. tuberculosis, разработанная в ходе настоящего исследования, представляет особый интерес и может считаться уникальной, поскольку в мировой литературе до сих пор не упоминалось о возможности образования «некультивируемых» клеток (НК) M. tuberculosis в условиях постепенного закисления в пост-стационарной фазе. Кроме того, было показано, что такие формы обладают инфекционным потенциалом in vivo.
Впервые найдено, что свободные ненасыщенные жирные кислоты (СНЖК) и цАМФ в низких концентрациях являются факторами реактивации НК M. smegmatis.
В ходе настоящей работы впервые было установлено участие мембраносвязаной аденилатциклазы M. smegmatis MSMEG_4279 в процессе реактивации микобактерий жирными кислотами.
Впервые предложена схема, в которой реактивация НК M. smegmatis под действием СНЖК осуществляется с помощью цАМФ–зависимого синтеза белков Rpf.
Практическая значимость работы. Предложенная модель является новым инструментом для изучения механизмов образования ПФ микобактерий и оценки активности генов, вовлеченных в процесс перехода микобактерий в покоящееся состояние. С другой стороны, полученные покоящиеся клетки микобактерий могут быть использованы для тестирования новых антибактериальных препаратов, эффективных в отношении реактивирующихся ПФ микобактерий, персистирующих в организме хозяина.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на следующих научных конференциях: IV съезд микробиологов Узбекистана, Ташкент, 2008;
IV международная молодежная школа-конференция, Москва, 2008;
3й Европейский конгресс микробиологов (FEMS), Гётеборг, Швеция, 2009;
Конференция Европейского общества молекулярных биологов (EMBO), Барселона, Испания, 2010;
3я Конференция Европейского общества молекулярных биологов (EMBO), Вена, Австрия, 2011. Проект «Биологическая система для тестирования новых соединений против латентного туберкулеза», выполненный в рамках данного исследования, был поддержан Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (конкурс У.М.Н.И.К.).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано печатных работ, в том числе 5 статей в журналах, входящих в Перечень ведущих рецензируемых журналов и изданий ВАК, и 5 тезисов в материалах конференций.
Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов исследования, результатов и их обсуждения, списка цитируемой литературы (276 ссылка).
Работа изложена на 132 страницах машинописного текста, содержит рисунка и 7 таблиц.
Сокращения, принятые в тексте. КОЕ – колониеобразующие единицы, НВЧК – наиболее вероятное число клеток, ОD600 – оптическая плотность при длине волны 600 нм, МКР – метод конечных разведений, НК – «некультивируемые» клетки, состояние, ПФ – покоящиеся формы бактерий, КОК – контрастные овоидные клетки, Rpf – фактор, способствующий реактивации ПФ бактерий (от Resuscitation promoting factor), MTB – Mycobacterium tuberculosis, PI – йодид пропидия, флуоресцентный краситель, детектирующий поврежденные клетки, СНЖК - свободные ненасыщенные жирные кислоты, цАМФ циклический аденозинмонофосфат.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Глава 1. Обзор литературы.
В обзоре литературы рассматривается явление покоя микобактерий как процесс, лежащий в основе латентной формы туберкулеза. В связи с чем подробно рассматриваются стрессовые факторы и стратегии выживания МТБ в организме хозяина, освещаются некоторые молекулярные механизмы покоящегося состояния и выхода из него. Делается акцент на назначение рН среды как стрессового фактора, и описываются некоторые механизмы адаптации микобактерий к кислым значениям рН среды.
Глава 2. Материалы и методы исследования.
Выращивание бактериальных культур. В качестве объектов исследования были выбраны бактерии Mycobacterium smegmatis штамм mc2 155 (ATCC 700084) и Mycobacterium tuberculosis штамм Н37Rv, а также ряд мутантных штаммов (табл. 1).
Таблица 1. Штаммы Mycobacterium smegmatis и плазмиды, использованные в исследовании.
Сокращенное Краткое описание Источник название штамма Wt Штамм MC 155 дикого типа Предоставлен Штамм Hlp-0 с инактивированным геном Томасом Диком Hlp- hlp путем вставки канамициновой кассеты [Lee et al, 1998] предоставлен Маргарет Мутант devR с инактивированным геном devR Смелдерс devR двухкомпонентной системы devSR [Keer et all, 2001] Мутант Aс с делетированным геном получен в ходе MSMEG_4279, маркированный геном Aс данной работы устойчивости к канамицину Мутант AС + pMindАc, штамм с делетированным геном MSMEG_4279, получен в ходе Aс + pMindАc данной работы трансформированный плазмидой, несущей pMindАc Мутант AС + pAGR, штамм с делетированным геном MSMEG_4279, получен в ходе AС + pAGR данной работы трансформированный плазмидой, несущей Rpf Плазмида устойчивости к канамицину и Blokpoel et al., pMind гигромицину Плазмида устойчивости к канамицину и Mukamolova et pAGH гигромицину al., Shleeva et al., pAGR Дериват pAGH, несущий ген rpf Дериват pMind, несущий ген Получен в ходе pMindAc MSMEG_4279. данной работы Mycobacterium smegmatis. Клетки первоначально выращивали на среде Nutrient Broth (NB) («Himedia», Индия) при 370С в течение 24 часов с перемешиванием (220 об/мин). Для получения ПФ инокулят (1 мл) вносили в 100 мл среды Сатона [Connell, 1994], с начальным значением рН 6.0 и выращивали при 370С на качалке (220 об/мин) в течение 16 - 20 сут до установления постоянного значения рН среды. Для получения гомогенно растущей культуры в среду добавляли 0.05% раствор Твина-80. Далее выращенные культуры хранили при комнатной температуре в пластиковых пробирках с закручивающимися пробками в течение 1-3 мес, периодически перемешивая и отбирая пробы для посева.
Для получения «некультивируемых» форм клетки выращивали в течение 72 час на модифицированной среде Hartmans-de Bont (HdB), содержащей стерильный 0,5% раствор БСА (Сohn Analog) («Sigma», США).
При выращивании штаммов, полученных трансформацией плазмидами, в среды роста добавляли гигромицин в концентрации 50 мкг/мл, в отдельных случаях - канамицин в концентрации 10 мкг/мл.
Mycobacterium tuberculosis штамм Н37Rv первоначально выращивали в течение 12-15 суток при 370 C на качалке (200 об/мин) в колбах объемом мл, содержащих 40 мл синтетической среды Сатона и 0.05% раствора Твин- с добавлением БСА (Сohn Analog, «Sigma», США) - 50 мг/л, глюкоза - 20 мг/л и NaCl - 8,5 мг/мл [Connell, 1994]. Затем культуру пересевали на свежую модифицированную среду (Сатон). Когда рН среды в пост-стационарных культурах МТБ достигал 6.0-6.2 (37-45 сут), выращенные культуры переносили в пластиковые пробирки с закручивающимися пробками (50 мл) и хранили при комнатной температуре в течение 3 мес, периодически перемешивая и отбирая пробы для посева. Чтобы избежать закисления среды, к культурам добавляли 20 мМ MOPS. Для того чтобы увеличить долю покоящихся форм в образце, осадок с клетками ресуспендировали в супернатанте, полученном при фильтровании культуральной жидкости (60 100-суточных культур МТБ) через 0.2 м фильтр (Millex Millipore).
Pеактивация «некультивируемых» (НК) клеток. Для оценки числа реактивировавшихся клеток использовали метод конечных разведений (МКР), заключающийся в приготовлении серии последовательных 10-кратных разведений в свежей питательной среде с разбавлением бактериальной суспензии до концентрации 10 клеток в мл, и далее инкубировали при 370С с перемешиванием. При подсчете наиболее вероятного числа (НВЧ) реактивированных клеток учитывали лунки/пробирки с видимым бактериальным ростом. Значение вероятного количества реактивируемых клеток в 1 мл определяли по стандартным статистическим таблицам [de Man, 1975].
Включение радиоактивной метки. Уровень синтеза РНК и ДНК в клетке определяли по включению меченого по водороду урацила или тимидина. К суспензии клеток (1 мл) добавляли 1 мкл [5,6–3H] урацила или тимидина (в виде растворов с радиоактивностью метки 40 Мбк/мл в 50% этаноле) и инкубировали 4 часа при 370С при перемешивании. Клетки отмывали 10% ТХУ и 96% этанолом на стеклянных фильтрах GFC («Whatman»), которые затем помещали в сцинтилляционную жидкость. Уровень радиоактивности измеряли на счетчике LS6500 «Beckman Coulter» (USA).
Определение внутриклеточного уровня АТФ и цАМФ. Для получения клеточных экстрактов клетки микобактерий, осажденные центрифугированием при 3000 g, суспендировали в небольшом объеме ДМСО (0.5 мл) и разрушали в дезинтеграторе BeadBeater («BioSpec Products», США) с циркониевыми бусами (0.2 мл). Неразрушенные клетки осаждали центрифугированием в течение 2 мин при 3000 g. Содержание АТФ в клеточном экстракте измеряли по интенсивности биолюминесценции люциферин/люциферазы на люминометре ЛЮМ-1. Измерения проводили в трех повторностях, используя 0.02 мл анализируемого раствора и 0.18 мл АТФ-реагента (ApoSENSOR™ ATP Cell Viability Assay Kit, BioVision).
Концентрацию цАМФ в клетке проводили прямым иммунологическим анализом при помощи cAMP Direct Immunoassay Kit («BioVision»).
Глава 3. Основные результаты и их обсуждение.
3.1. рН-индуцируемое образование покоящихся форм микобактерий.
Было обнаружено, что культивируемость на плотных средах (КОЕ/мл) метаболически активных и пост-стационарных культур M. smegmatis и МТБ менялась синхронно с изменением рН среды роста. Эксперименты показали, что клетки МТБ начинают делиться, когда рН среды достигает значения 6.4, а клетки M. smegmatis - при рН 6.0. По-видимому, существует пороговое значение рН среды, ниже которого клетки микобактерий не могут размножаться. При дальнейшем культивировании клеток микобактерий происходило плавное снижение рН до 5.8 – 5.7 у M. smegmatis и до 4.8 - 5.0 у МТБ (рис. 1). Такие изменения значений рН среды связаны, вероятно, с активным метаболизмом вегетативных клеток. Синхронно с закислением среды в пост-стационарной фазе в культурах микобактерий дикого типа наблюдали появление контрастных овоидных клеток (КОК) с измененной морфологией, содержание которых увеличивалось по мере дальнейшего культивирования от 12% до 45% (рис. 1).
В условиях длительного хранения при комнатной температуре в культурах M. smegmatis при рН среды 6.1-5.8 наблюдали снижение численности КОЕ на 1.5 порядка (до 108 КОЕ/мл) через 60 сут инкубации (рис.
1 А) и до 104 - 105 КОЕ/мл через 1 год инкубации. Следует отметить, что численность жизнеспособных клеток в 30-60 суточных популяциях M.
smegmatis, выявленная методом предельных разведений (НВЧК) составляла 5108-1010 кл/мл и оказалась на 1 - 2 порядка выше титра колониеобразующих клеток (КОЕ) (рис. 1 А). Отсутствие PI-положительных КОК в культуре MTБ в длительной пост-стационарной фазе подтверждало сохранение их потенциальной жизнеспособности, несмотря на то, что наблюдалось резкое снижение числа КОЕ (рис. 1 Б).
Рис. 1. Изменение А значения рН среды, ФАЗА ФАЗА численности жизнеспособных клеток 8, Численность жизнеспособных клеток/мл (КОЕ и НВЧК) и доли КОК в культурах 7, НВЧК M. smegmatis (А) и КОЕ M. tuberculosis (Б) при 7, культивировании на pH среде Сатона со 6, стартовым рН 6.0.
pH Шкала КОК – прирост 6,0 доли клеток с измененной морфологией, 5, КОК – контрастные овоидные клетки.
0% 12% 20% 35% 45% К О К 5, Фаза-1 – инкубация на качалке при 370C, 0 10 20 30 40 50 Фаза-2 – инкубация при Время инкубации, сут комнатной температуре без перемешивания.
НВЧК 1 – количество Б жизнеспособных клеток, оцененное с помощью ФАЗА ФАЗА МКР;
КОК Численность жизнеспособных клеток/мл НВЧК 2 – количество 0% 2% 15% 20% 40% 45% 47% 47% 10 жизнеспособных клеток, НВЧК оцененное с помощью МКР в супернатанте 8 активных культур.
НВЧК Представленные данные 10 усреднены по pH результатам пяти экспериментов.
рН 6 Приведены среднеквадратичные 5 10 отклонения.
КОЕ -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Время инкубации, сут Аналогично M. smegmatis, 60-суточные культуры MTБ, содержащие КОК, в которых число КОЕ достигло нуля, могли самореактивироваться при культивировании в жидкой среде Сатона ("спонтанная реактивация") до 3 клеток/мл (рис. 1 Б, НВЧК 1). Однако при дальнейшей инкубации культур МТБ доля клеток, которые были способны к возобновлению роста в реактивирующей среде, приближалось к нулю через 180 суток культивирования. Для реактивации таких клеток требовалось добавление супернатанта (СН), взятого из активно растущих культур MTБ. Число клеток, восстановленных в присутствии СН, практически не менялось на протяжении 180 сут культивирования (рис. 1 Б, НВЧК 2).
При реактивации клетки из овоидной формы переходят в палочковидную. Анализ последовательностей 16S РНК КОК после реактивации показал 100% идентичность клеткам M. smegmatis и M.
tuberculosis, соответственно.
Для того чтобы выяснить, насколько формирование овоидных клеток связано с закислением среды и скоростью закисления, в культуры M.
smegmatis стационарной фазы вносили буфер MOPS или MES (10-50 мМ, рН 7.5) для обеспечения меньшего снижения величины рН и более плавного или более резкого понижения его значений на 0.5 - 2 единицы за период 7–14 сут инкубации (табл. 2).
Таблица 2. Зависимость образования овоидных клеток M. smegmatis от уровня закисления среды в пост-стационарной фазе, 14 сут культивирования.
Модификация Доля переходных Доля овоидных условий pH** клеточных форм*** культивирования* форм*** S6 2.2 45 S6 + MOPS 50 мМ 0.5 5 S6 + MOPS 25 мМ 1.0 15 S6 + MOPS 10 мМ 1.5 30 S6 + MES 10 мМ 2.0 35 S7 1.2 10-15 S7 + MOPS 50 мМ 0.4 3 * Буфер вводили в среду Сатона (S6 – рН 6.0, S7 – рН 7.0) на 7 сут инкубирования, когда рН среды достигал 7.5, для того чтобы снизить уровень закисления среды.
** pH - разница между максимальным значением рН среды (7 сут) и минимальным значением (14 сут).
*** Доля покоящихся клеток по результатам прямых микроскопических подсчетов числа овоидных клеток и переходных клеточных форм, предшествующих овоидным формам (см. рис. 4). Относительная ошибка составляет 5%.
На стандартной среде Сатона с начальным значением рН 6.0 в условиях постепенного снижения рН на 2.2 единицы после 14 суток культивирования доля овоидных форм составляла 45%. Было обнаружено, что при внесении буфера MOPS понижающейся молярности увеличение числа образующихся овоидных форм коррелировало со степенью снижения рН. Высокая доля овоидных клеток (35%) в культурах дикого штамма M. smegmatis наблюдалась в условиях постепенного снижения рН на 2 единицы при внесении буфера MES (10 мМ). Отметим, что на стандартной среде Сатона с начальным значением рН 7.0 доля овоидных форм в культуре на 14 сут инкубирования оказалась значительно ниже, а именно, 10-15%, кроме того, при дальнейшем культивировании начинался вторичный рост, который приводил к повышению рН среды. На этом фоне внесение буфера MOPS (50 мМ) не способствовало увеличению доли овоидных форм. В случае, когда значение рН среды резко снижалось на 2 единицы за счет внесения в культуру (7 сут) кислого буфера MES (50 мМ, рН 3.5), овоидные формы M. smegmatis не обнаружмвались даже на 14 сут инкубации, и клетки в дальнейшем лизировались.
Таким образом, образованию «некультивируемых» контрастных овоидных форм микобактерий M. smegmatis и M. tuberculosis способствует постепенное закисление среды в стационарных культурах до значений рН 4. – 5.5 с последующей их статической инкубацией при комнатной температуре и этих же значениях рН, что, очевидно, связано с процессом адаптации и изменением метаболизма клеток.
Также в работе было показано участие продуктов генов hlp и devR в процессе перехода клеток в покоящееся состояние. Ранее предполагали, что белок DevR регулирует адаптацию бактерий к кислородному голоданию [Wayne, 1982]. Однако, по мнению других авторов, продукты гена devR могут быть задействованы и в других видах стресса [O’Toole, 2003]. Действительно, как следует из результатов настоящего исследования, ген devR и, возможно, контролируемый этим геном кластер Dos-регулон играют важную роль в процессах адаптации вегетативных клеток микобактерий к кислотному стрессу.
Ранее было показано, что продукт гена hlp, гистоноподобный белок Hlp, задействован в обеспечении повышенной устойчивости покоящихся клеток микобактерий к термообработке, УФ-облучению, действию антибиотиков, что, по-видимому, обусловлено компактизацией нуклеоида при участии Hlp [Anuchin et al., 2010]. При закислении пост-стационарных культур мутантного штамма M. smegmatis клетки с инактивированным геном hlp не только утрачивали жизнеспособность, но и не образовывали овоидные ПФ.
Вероятно, гены hlp и devR входят в глобальную систему регуляции и адаптации клеточного метаболизма, позволяющую микобактериям образовывать ПФ и переживать неблагоприятные условия среды в состоянии покоя.
3.2. Биохимическая и микробиологическая характеристики ПФ микобактерий.
Полученные при постепенном снижении рН среды клетки с измененной морфологией представляли собой контрастные овоидные формы с утолщенной слоистой клеточной стенкой и электронно-плотной цитоплазмой (табл. 3). Микроскопические исследования этих культур показали постепенный переход от палочковидной формы к морфологически измененной овоидной форме. После 30 - 40 сут инкубации культур МТБ при постепенном закислении среды (рН 6.8 6.2) мы наблюдали появление клеточных агрегатов, содержащих тысячи укороченных палочковидных форм.
Таблица 3. Микроскопия клеток микобактерий. Культуры выращивали на среде Сатона со стартовым значением рН 6.0.
Вегетативные клетки Переходные Контрастные овоидные формы клеток клетки Фазово контрастная микроскопия Длина масштабной метки 2 мкм M. smegmatis Электронная микроскопия тонких срезов M. smegmatis M.tuberculosis Длина масштабной метки 2 мкм Атомно силовая микроскопия клеток M. smegmatis Таблица 4. Биохимические изменения в клетках M. smegmatis и M. tuberculosis при переходе в состояние покоя. В закрашенных полях представлены данные для МТБ.
Вегетативные клетки M. smegmatis - 2 сут культивирования, МТБ – 10 сут, клетки стационарной фазы M. smegmatis – 20 сут, МТБ – 40 сут, КОК M. smegmatis – 60 сут, МТБ – 70 сут.
Вегетативные Клетки Овоидные клетки стационарной Параметр клетки фазы Tимидин 40196 ± 2354 7560 ± 1524 860 ± [3H] Включение радиоактивной 93286 ± 3730 12340 ± 1632 408 ± метки (имп/мин) Урацил [3H] 76 327 ± 2519 12 984 ± 1924 350 ± 514 ± 41.12 264 ± 15.84 183 ± 9. Внутриклеточная концентрация АТФ в культуре, нМ* 569 ± 47 341± 22.7 9.7 ± 8. 1.214 ± 0.01 1.23 ± 0.01 1.278 ± 0. Плавучая плотность клеток (г/мл) 1.30 ± 0.1 ------- 1.60 ± 0. 65 75 60 С Термо устойчивость 9 12 70 С клеток (% от контроля без прогревания)** 2 80 С 1102 2102 Канамицин Устойчивость 1102 2103 клеток к Гигромицин антибиотикам*** 1105 1106 Тетрациклин * Концентрация АТФ в мл культуры при одинаковом количестве клеток (1109 КОЕ/мл) ** Доля клеток после термообработки в течение 10 мин, непрокрашиваемых йодистым пропидием, определяемая по результатам прямых микроскопических подсчетов.
Относительная ошибка 5%.
*** Остаточное число КОЕ/мл M. smegmatis после воздействия 100 мкг/мл антибиотика на 1108 клеток в течение суток, по высевам на стандартной среде (NB1.5% агаре).
В ходе дальнейшей инкубации в течение 50 суток при снижающемся рН среды до 5.8, клеточные агрегаты частично деградировали, освобождая палочковидные формы с концевыми вздутиями. Такие «промежуточные» формы были переходными при образовании КОК в 60-суточных культурах при снижении рН среды от 5.8 до 5.5. По данным атомно-силовой микроскопии (табл. 3), размеры вегетативных клеток M. smegmatis в экспоненциальной фазе роста составляли в среднем 3.7 0.8 мкм и значительно отличались от размеров КОК – 1.2 0.9 мкм.
КОК в 60-180-суточных культурах MTБ, полученные при соответствующих условиях, характеризовались также уменьшением размеров (1.2–1.5 0.6-0.7 мкм) по сравнению с клетками стационарной фазы (1.5– 0.3-0.4 мкм). При окрашивании реагентом Циля-Нильсена, КОК МТБ имели темно-красный цвет, в отличие от розового цвета, присущего вегетативным палочковидным клеткам, что возможно связано с утолщением клеточной стенки. КОК не прокрашивались йодистым пропидием (PI). Отрицательное окрашивание клеток было и при использовании Nile Red (маркера на включения триглециридов).
В длительной пост-стационарной фазе культур микобактерий, выращенных на модифицированной среде Сатона с исходным значением рН 6.0 (рис. 1), наблюдалось снижение синтеза РНК, который оценивался по скорости включения 5,6-3Н-урацила в клетках. Вместе с аналогичным падением уровня АТФ в клетках, эти данные указывают на крайне низкую метаболическую активность КОК, в отличие от вегетативных и пост стационарных клеток. Однако ненулевые уровни включения урацила и наличие внутриклеточного АТФ определенной концентрации могут указывать на протекание «остаточного» метаболизма в КОК, на очень низком уровне, необходимом для поддержания жизнеспособности (табл. 4).
Различия в значении плавучей плотности между вегетативными клетками и КОК, особенно для МТБ (1.3 г/мл и 1.6 г/мл, соответственно), возможно, отражают увеличение белок-липидного соотношения в покоящихся клетках (табл. 4). КОК МТБ в 70-суточных культурах обладали повышенной устойчивостью к температуре, в отличие от вегетативных клеток. Число восстановленных КОК при воздействии 70 0С в течение 10 мин было в 50 раз меньше по сравнению с контролем, в то время как вегетативные клетки практически не восстанавливались после воздействия той же температуры.
КОК были также более устойчивы к воздействию антибиотиков: гигромицина (50 мкг/мл), канамицина (50 мкг/мл), тетрациклина (50 мкг/мл) и рифампицина (20 мкг/мл), чем метаболически активные клетки. Так, при воздействии мкг/мл гигромицина на клетки M.smegmatis (108 КОЕ/мл) в течение 24 часов, остаточная выживаемость составляла 107 КОЕ/мл для овоидных форм, тогда как для вегетативных клеток - 102 КОЕ/мл (табл. 4).
Таким образом, морфологически измененные КОК, сохраняющие жизнеспособность в течение длительного периода времени в состоянии очень низкой метаболической активности и устойчивые к повреждающим факторам (температура и антибиотики), могут рассматриваться как покоящиеся формы микобактерий.
Инфекционный потенциал покоящихся форм МТБ. Полученные в условиях рН-индукции КОК МТБ (76 сут культивирования, КОЕ/мл=0, НВЧК 1 = 4.3103, НВЧК 2 =105) использовались для заражения лабораторных мышей лини Black. Спустя полтора года у мышей по достижении ранних этапов старения регистрировались в органах типичные активные клетки МТБ. По-видимому, ослабевание иммунной системы мышей приводит к реактивации покоящихся форм M. tuberculosis.
Таким образом, впервые были получены специализированные покоящиеся формы микобактерий как следствие их адаптации к снижению рН окружающей среды, сохраняющие инфекционный потенциал. Возможно, такой механизм образования ПФ реализуется у латентных форм МТБ in vivo.
3.3. Механизм реактивации ПФ M. smegmatis под влиянием веществ липидной природы.
Вышеупомянутые эксперименты с культурой M. tuberculosis позволили выделить два типа покоящихся клеток: спонтанно реактивирующиеся и СН индуцируемые. Очевидно, клетки 2-й группы находятся в более глубоком состоянии покоя, когда для восстановления жизнеспособности клеткам недостаточно собственных ресурсов, и они требуют экзогенных стимулирующих факторов реактивации. Ранее в нашей лаборатории было показано, что в СН активных клеток присутствуют белки семейства Rpf, вызывающие реактивацию покоящихся форм некоторых бактерий. Однако трудно себе представить, что в макрофагах белок Rpf присутствует в концентрации, достаточной для инициации реактивации ПФ, учитывая малое количество клеток микобактерий, захваченных макрофагом. Поэтому, вероятно, в организме хозяина действуют и другие факторы инициации реактивации, среди которых могут быть низкомолекулярные вещества, компоненты клеточных стенок или факторы иммунной системы.
Факторы реактивации липидной природы. Было изучено действие фосфолипидов различного состава на реактивацию НК M. smegmatis, полученных при выращивании на среде, не содержащей солей калия [Shleeva, 2004]. Было обнаружено, что при добавлении в среду фосфатидилхолина (лецитин), кардиолипина и изо-фосфатидилхолина приводит к стимуляции реактивации подобно действию Rpf (рис 2.). Поскольку общими компонентами этих фосфолипидов являются остатки жирных кислот, было изучено действие свободных жирных кислот на процесс реактивации НК клеток M. smegmatis.
Для изучения роли соединений липидной природы в процессе реактивации ПФ пересевали в свежую жидкую среду Сатона, содержащую ионы калия и определенное количество липидного компонента, влияние которого на реактивацию клеток оценивали с помощью МКР.
Рис. 2. Реактивация Число жизнеспособных клеток/мл «некультивируемых» клеток M. smegmatis фосфолипидами.
1 Контроль – реактивация НК в 3 жидкой среде без стимулирующих добавок;
Rpf - реактивация НК в жидкой среде в присутсвии 5 нг/мл белка Rpf, 1-3 добавление к среде реактивации 200 мкг/мл фосфолипидов:
1 – фосфатидилхолина, 2 – кардиолипина, 3 – лизо-фосфатидилхолина.
Контроль Rpf ФОСФОЛИПИДЫ При добавлении СЖК различной длины в концентрации 3.5 мкМ в среду, содержащую 106 клеток/мл, находящихся в «некультивируемом» состоянии, было показано, что наибольшим стимулирующим эффектом на реактивацию обладали ненасыщенные жирные кислоты (СНЖК) (рис. 3). Влияние фосфолипидов и СНЖК на реактивацию зависит от их концентрации. Важно, что интервал действующих концентраций олеиновой кислоты (1.8 – 10.6 мкМ) находится в области меньших концентраций, по сравнению с фосфолипидами (7.5 - 36.6 мкМ). Очевидно, это указывает на то, что именно СНЖК ответственны за реактивирующий эффект, а фосфолипиды выступают в роли их источников (возможно, за счет действия бактериальных фосфолипаз и эстераз).
Рис. 3. Влияние жирных кислот (в концентрации 1 мкг/мл) на реактивацию НК C20- M. smegmatis.
Контроль – реактивация НК в жидкой среде без 4 C18- стимулирующих добавок.
OD Реактивацию НК проводили в C16 50% среде Сатона с 3 C содержанием 0.5% глицерина C18- пальмитиновая в присутствии 0.025% стеариновая арахидоновая дрожжевого экстракта.
линолевая Контроль олеиновая 0,5 1,0 1, жирные кислоты Роль аденилатциклазы в реактивации ПФ. Известно, что одним из регуляторных белков микобактерий, который «чувствует» ЖК во внешней среде, является мембраносвязанная аденилатциклаза. Гены, кодирующие этот белок, известны (У МТБ Rv2212, а у M. smegmatis - MSMEG_4279). По видимому, олеиновая кислота активирует этот фермент, что может приводить к увеличению концентрации цАМФ в клетке.
16 3, Концентрация цАМФ, пикоМ Рис. 4. Изменение уровня цАМФ внутри клетки и изменения в 2, оптической плотности культуры при реактивации ПФ M.
2, OD smegmatis в присутствии 10. 1, мкМ олеиновой кислоты.
Реактивацию НК проводили в 50% 1, среде Сатона с содержанием 0.5% глицерина в присутствии 0.025% 2 0, дрожжевого экстракта.
0, 0 10 20 30 40 Время инкубации, часы Так, экспериментально было обнаружено, что спустя сутки с начала реактивации в присутствии олеиновой кислоты, происходит увеличение уровня внутриклеточного цАМФ в лаг-фазе до начала размножения клеток (рис. 4). Добавление цАМФ (1.5–3.0 мМ) в среду приводило к стимуляции реактивации ПФ M. smegmatis, подобно действию СНЖК.
Было установлено, что активация метаболизма, которую оценивали по скорости включения в клетки радиоактивно меченного урацила, при реактивации в присутствии олеиновой кислоты или цАМФ, происходит через 48 часов реактивации, тем самым предшествуя делению, которое начинается после 72 часов культивирования (рис. 5.).
Таким образом, можно полагать, что в процессах реактивации в лаг фазе вначале активируется аденилатциклаза, повышается уровень цАМФ, как следствие, в клетке начинается синтез нуклеиновых кислот и активация других звеньев метаболизма, что, в конечном счете, приводит к делению клетки.
цАМФ о л е и н о в а я к-та Рис. 5. Начальные этапы реактивация НК M.
smegmatis в присутствии O D 3.5 мкМ олеиновой кислоты или 3 мМ цАМФ.
3 Контроль – без внесения добавок.
А – изменение оптической плотности культуры;
Контроль Б – Скорость включения радиоактивной метки урацил-H3.
В р 100м я 120 к у 140ц и 160ч а с е ин ба и, 0 20 40 60 Реактивацию проводили в А 50% среде Сатона с содержанием 0.5% глицерина в присутствии о л е и н о в а я к-т а В кл ю ч е н и е м етки U 3 H, И м п/м и н цАМФ 0.025% дрожжевого экстракта.
Контроль В р 100м я 120у б 140и и, 160а с е ик ац ч 0 20 40 60 Б Для доказательства роли аденилатциклазы MSMEG_4279 в реактивации НК M. smegmatis жирными кислотами в ходе работы был получен мутант M.
smegmatis Ac с делетированным геном MSMEG_4279. Такой штамм образовывал покоящиеся НК клетки, которые оказались не способны к реактивации в присутствии олеиновой кислоты, как это было показано для дикого типа. Однако, в присутствии 3мМ цАМФ, после 11 суток культивирования клетки восстанавливали способность к росту в жидкой среде. Интересно, что штамм с гиперэкспрессией этого гена (pmindAc) был неспособен образовывать НК ПФ в тех же условиях, что указывает на важность аденилатциклазы MSMEG_4279 в регуляции образования ПФ.
Связь реактивации ПФ под действием СНЖК с белками Rpf. Из литературных данных известно, что среди многих белков, «чувствующих» цАМФ в клетке МТБ, существует транскрипционный фактор Rv3676, продукт которого связывается с промоторной областью гена, кодирующего синтез RpfA. Это натолкнуло нас на мысль о том, что цАМФ может регулировать уровень экспрессии генов Rpf при реактивации в присутствии СНЖК как в МТБ, так и в M. smegmatis.
Реактивация, 67 час 3,0x RpfA (MSMEG_5700) 2,5x10 Число копий гена 6x Число копий гена 2,0x 5x 1,5x 1,0x10 4x 5,0x10 3x 0, Контроль Олеиновая Стационарная Экспоненциальная Покоя щ ееся к-т а ф аза ф аза состояние 1,0x 1,5x 8,0x RpfF (MSMEG_4643) Число копий гена Число копий гена 6,0x10 1,0x 4,0x 5,0x 2,0x Олеиновая Контроль Экспоненциальная Стационарная Покоя щ ееся 0, ф аза ф аза состояние к-т а Рис. 6. Изменения уровня экспрессии генов rpfA и rpfF разных физиологических состояний и в процессе реактивации покоящихся форм M. smegmatis.
Реактивацию проводили в присутствии 3.5 мкМ олеиновой кислоты. Данные приведены для 67 часа реактивации. Число копий гена отнесено к 50 нанограммам РНК.
В геноме M. smegmatis имеется 4 rpf-подобных гена: MSMEG_5700, MSMEG_5439, MSMEG_4640, MSMEG_4643 продуктами которых являются белки RpfA, RpfB, RpfC, RpfF, соответственно. Все гены были исследованы на предмет изменения уровня экспрессии в процессе реактивации НК форм методом обратной транскрипции и ПЦР в реальном времени.
Особый интерес вызывают 2 гена - MSMEG_5700 (rpfA) и MSMEG_ (rpfF), для которых было обнаружено изменение уровня транскрипции. Так, для гена rpfA существенные изменения, а именно, снижение уровня транскрипции, наблюдалось в стационарной фазе и в состоянии покоя. И, наоборот, для гена MSMEG_4643 (rpfF) было продемонстрировано увеличение экспрессии по мере развития культуры от экспоненциальной фазы к покоящемуся состоянию. Интересно, что при реактивации ПФ в присутствии олеиновой кислоты наблюдалось увеличение уровня экспрессии гена rpfA в 1.5 раза, и его снижение в 4 раза для rpfF. Таким образом, действительно, экспрессия генов rpfA, rpF зависит от присутствия индуктора (в данном случае, олеиновой кислоты) в среде реактивации (рис. 6).
На основании этих данных мы предполагаем связь между реактивацией веществами липидной природы и белками Rpf. Олеиновая кислота, которая также может высвобождаться вследствие деградации фосфолипидов, выступает стимулятором мембраносвязанной аденилтциклазы, что приводит к увеличению концентрации цАМФ в клетке. Каким образом концентрация цАМФ приводит к модуляции генов rpf, остается неясным. Возможно, что экспрессия rpfA связана с цАМФ-зависимым транскрипционным фактором.
Реактивация ПФ M. smegmatis может происходить под действием разных индукторов, как белков Rpf, так и СНЖК. Опираясь на наши исследования, мы предполагаем, что оба механизма реактивации ПФ M. smegmatis являются звеньями одной цепи. Данный процесс наглядно представлен в виде схемы на рис. 7.
Работа была поддержана программой РАН «Молекулярная и клеточная биология», ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы ГК №14.740.11.0246 и №14.740.11.1056.
Рис. 7. Предполагаемая схема реактивации ПФ М. smegmatis в жидкой среде в присутствии индукторов (фосфолипидов - ФЛ, свободных ненасыщенных жирных кислот (СНЖК) или цАМФ). На первом этапе СНЖК (которая может высвобождаться также вследствие гидролиза ФЛ) активирует мембраносвязанную аденилатциклазу MSMEG_4279, в результате чего повышается уровень цАМФ в клетке. цАМФ, добавленный к среде реактивации в больших концентрациях может попадать внутрь клетки и выступать также стимулятором реактивации ПФ подобно действию СНЖК. На втором этапе реактивации происходит увеличение уровня экспрессии гена rpfA, возможно, через цАМФ-зависимый транскрипционный фактор, и как следствие, синтез белка RpfA. Завершающим этапом является деление клетки М. smegmatis.
ВЫВОДЫ 1. Адаптация микобактерий M. smegmatis и M. tuberculosis к условиям постепенного снижения рН среды приводит к образованию покоящихся форм, способных к реактивации in vitro.
2. Полученные формы характеризуются измененной морфологией, «некультивируемостью» на плотных средах, низким уровнем метаболизма и повышенной устойчивостью к стрессовым воздействиям (антибиотики, температура). Покоящиеся формы M. tuberculosis способны к реактивации in vivo, вызывая заболевание туберкулезом у зараженных мышей.
3. Свободные ненасыщенные жирные кислоты (СНЖК) и цАМФ, экзогенно добавленные в концентрациях 2 – 10 мкМ и 0.05 - 3.0 мМ, соответственно, стимулируют реактивацию покоящихся клеток M. smegmatis.
4. Мутантный штамм M. smegmatis с делетированным геном аденилатциклазы MSMEG_4279 (Ac) утрачивает способность к реактивации под действием олеиновой кислоты, но сохраняет способность к реактивации под действием цАМФ.
5. Штамм M. smegmatis с гиперэкспрессией гена аденилатциклазы MSMEG_4279 не способен образовывать «некультивируемые» покоящиеся формы.
6. Введение олеиновой кислоты в среду реактивации увеличивает уровень экспрессии гена rpfA и снижает уровень экспрессии гена rpfF M. smegmatis, участвующих в реактивации покоящихся форм.
7. Предложена схема, в которой экзогенные СНЖК связываются с мембранной аденилатциклазой микобактерии, что приводит к увеличению внутриклеточного уровня цАМФ, увеличению уровня экспрессии генов rpfA и реактивации покоящихся форм M. smegmatis.
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи:
1. Ю. К. Кудыкина, М. О. Шлеева, В. Ю. Арцатбанов, Н. Е. Сузина, А. С.
Капрельянц. Образование покоящихся форм M. smegmatis в длительной стационарной фазе при постепенном закислении среды. 2011.
Микробиология, Т. 80, № 5, с. 625-636.
2. M. O. Shleeva, Yu. K. Kudykina, G. N. Vostroknutova, N. E. Suzina, A. L.
Mulyukin, A. S. Kaprelyants. Dormant ovoid cells of Mycobacterium tuberculosis formed in response to gradual external acidification. 2011. Tuberculosis, V. 91, № 2, p. 146-154.
3. А.Л. Мулюкин, Ю.К. Кудыкина, М.О. Шлеева, А.М. Анучин, Н.Е. Сузина, В.Н.
Данилевич, В.И. Дуда, А.С. Капрельянц, Г.И. Эль-Регистан. Внутривидовое разнообразие покоящихся форм Mycobacterium smegmatis. 2010.
Микробиология, т. 79, № 4, с. 486-497.
4. Е.В. Назарова, М.О. Шлеева, Н.С. Морозова, Ю.К. Кудыкина, Г.Н. Вострокнутова, А.О. Ружицкий, А.А. Селищева, Г.М. Сорокоумова, В.И. Швец, А.С. Капрельянц. Роль липидных компонентов в процессах образования и реактивации «некультивируемых» форм Mycobacterium smegmatis. 2011. Биохимия, т. 76, № 6, с. 781-791.
5. А.М. Анучин, А.В. Гончаренко, И.В. Галон, О.И. Демиденок, Ю.К. Кудыкина, М.М. Мойсенович, А.Л. Мулюкин, А.С. Капрельянц. Модель покоящихся форм микобактерий для тестирования химиопрепаратов против латентных форм туберкулеза. 2010. Прикладная биохимия и микробиология, т. 46, №3, с. 308-314.
Материалы конференций:
1. Ю.К._Кудыкина, М.О. Шлеева, А.С. Капрельянц. Изучение биохимических факторов выживания микобактерий внутри клеток хозяина при моделировании стресса in vitro. 2008. Тезисы докладов IV съезда микробиологов Узбекистана (Ташкент, Узбекистан), с. 162-163.
2. Ю.К._Кудыкина, М.О. Шлеева, А.С. Капрельянц. Образование покоящихся форм микобактерий (M. smegmatis и M. tuberculosis) при моделировании стрессовых условий фагосомы in vitro. 2008. Актуальные аспекты современной микробиологии. Тезисы IV международной молодежной школы-конфернции (Москва), с. 27-29.
3. M. Shleeva, Yu. Kudykina, A. Kaprelyants. Formation of dormant cells of Mycobacterium smegmatis and Mycobacterium tuberculosis during adaptation to low pH. FEMS 2009. 3rd Congress of European Microbiologists (Gotenburg, Sweden), 2009.
4. Yu. Kudykina, M.Shleeva, A. Kaprelyants. Mycobacteria produce dormant forms with distinct morphology in response to gradual acidification. 2010. The 2nd EMBO Meeting (Barcelona, Spain), p. 35.
5. M. Shleeva, Yu. Kudykina, M. Young, D. Young, A. Kaprelyants. Free fatty acids – new inducers of dormant mycobacterial cell reactivation. 2011. The 3rd EMBO Meeting (Vienna, Austria), p. 46.