この記事では、正常に抗菌薬の発見と化合物試験のための新しい強力なツールを提供し、 緑膿菌におけるサイクリックジGMPの細胞レベルを操作するその潜在的能力について小分子の大きなライブラリーをスクリーニングするために設立されたハイスループットアッセイを説明します。
従来の抗生物質に対する耐性菌は、最近発見さ調節経路に新たな薬物標的を同定するための研究の試みを推進してきました。セカンドメッセンジャーとして細胞内サイクリックジGMP(c-ジGMP)を利用規制システムは、ターゲットの1ようなクラスです。 c-ジ-GMPは、抗生物質耐性、バイオフィルム形成と病原性を含む、プロセスの広範な範囲を規制するように作用するほぼすべての細菌で見つかったシグナル伝達分子です。 c-ジ-GMPが抗生物質耐性バイオフィルムの開発のコントロールの側面をシグナリングする方法を理解することは、ヌクレオチドまたはこれらのシグナル伝達経路の破壊の細胞濃度の変化が減少し、バイオフィルム形成や抗生物質に対するバイオフィルムの感受性の増大につながるおそれがアプローチを示唆しています。我々は、その発現がc-ジGMP応答性プロモーターCDRAの制御下にある緑色蛍光タンパク質(GFP)、に基づいて、単純なハイスループットbioreporterプロトコルを記述する、急速に緑膿菌 ( 緑膿菌 )におけるc-ジ-GMPの細胞レベルを調節する可能性を有する小分子をスクリーニングします。この単純なプロトコルは、48時間以内に上方3,500化合物のスクリーニング及び複数の微生物に適応する能力を有することができます。
臨床的に重要な抗生物質に対する耐性菌の急速な発展は、現在、世界的な健康の専門家が直面している主要な関心事の一つです。伝統的な抗生物質のこの失敗は、毒性および疾患の進行1に関与する細菌のプロセスを妨害することができ、化学的問題のための新しい検索を牽引してきました。細胞内のセカンドメッセンジャーサイクリックジGMP(c-ジ-GMP)は最近、妥当性2-4を有望との標的となっている利用したものなど規制システム。この世界的なセカンドメッセンジャーシグナル分子は、抗生物質耐性、密着性、バイオフィルム形成や疾病2-4など、多くの機能を調節することが確立されています。
現在では、細菌細胞におけるc-ジGMPの細胞レベルは、GTPの2つの分子がGGDEFドメイン含有ジグアニルシクラーゼ(DGCs)WHによってc-ジGMPを合成するために使用される合成と分解することによって制御されていることがわかりますereas c-ジ-GMPの分解は、EALまたは((3、5)で検討)HD-GYPドメインのいずれかを持っているホスホジエステラーゼ(PDE類)によって触媒されます。これらのドメインを含むタンパク質は、多くの場合、c-ジ-GMPの売上高の彼らの活動は、環境や携帯手がかり3,5によって直接的または間接的に調節されていることを示唆し、他のシグナル伝達ドメインを含みます。その結果、c-ジ-GMPは細菌の表現型の修正に多様な環境手がかりのセンシングをリンクする機能をシグナリング。 c-ジ-GMPは、様々な機構4による転写、転写後および翻訳後のレベルで細菌にその調節効果を発揮します。
多くの細菌細胞中のc-ジ-GMPの主な影響はバイオフィルムの多細胞構造で表面に付着または組織化運動性浮遊細胞と固着性細胞との間の遷移の制御で、特に細菌の「ライフスタイル」との決意であります3,5。一般に、高い細胞低細胞レベルでは、多くの細菌性病原体3,5での運動性および毒性因子の合成を促進しながら、c-ジ-GMPのレベルは、バイオフィルム形成と無柄に関連付けられています。したがって、c-ジ-GMPシグナル伝達の仕組みのより詳細な知識は、細菌性病原体でのバイオフィルム形成と病原性を阻害するための戦略を買う余裕ができました。これは、ほとんどの細菌ゲノムがGGDEF、EALおよび/ またはHD-GYPドメイン(例えば緑膿菌が 40を超えるタンパク質を持っている)と、複数のエフェクタ6,7を有する多数のタンパク質をコードすることを考えると大変な作業です。
しかし、この複雑で、最近の証拠は、戦略はc-ジ-GMPシグナル伝達を操作することを示唆している開発抗生物質耐性感染症を予防または古典的な抗生物質2の同時投与により免疫システムや効率的な治療にそれらを受けやすくいずれかに開発することができます。これに伴い、それは実験その人工的な減少を実証されていますインビトロ -grown P.細胞内c-ジ-GMPのP.ながら緑膿菌は 、バイオフィルム形成を減少し、抗菌剤に対する感受性の増加につながりますマウスの腹腔内に配置シリコーンインプラントの緑膿菌 -developedバイオフィルムは、同様8-11に分散させることができます。
ここでは、潜在的にP.セルラc-ジGMPレベルを調節することができる小分子をスクリーニングするためのハイスループット蛍光に基づくレポーターアッセイを記載します緑膿菌 ( 図1)。アッセイは、その発現が転写c-ジGMP応答性CDRAプロモーター 12に連結されている以前に開発されたGFPレポーターを使用して、c-ジ-GMPの細胞レベルを測定することに基づいています。このプロトコルは、Pにおけるレポーター構築物の発現のための方法論を説明し関心の緑膿菌の菌株は、我々のような化合物プレート調製、384ウェルプレートに培養物の接種、増殖条件、データの収集、管理、および分析に関する詳細などLL( 図1)。全体的に、このプロトコルは、細菌におけるシグナル伝達c-ジ-GMPをターゲットに新規化合物を同定する潜在的に研究者を支援し、研究に使用するためにPの生物学を理解することを目指します緑膿菌 。
細菌感染症の治療を向上させるためには、分子の調節レベルでの細菌の挙動のより良い理解が必要であることは明らかです。ここで説明する手順は、操作したり、細菌におけるc-ジ-GMPの細胞濃度を妨害する可能性を持つ小分子を明らかにしたい微生物学者、生化学者および臨床医のために有益になります。この方法は、Pにおけるc-ジ-GMPの細胞レベルをモニターするために最近開発されたGFPのbioreporterを利用します緑膿菌 12。このbioreporterは、PBS中5%LBで培養用いられる株の増殖に影響を及ぼさないように検証され、重要なことが示されています。 インビボでの c-ジGMPレベルを変化させる小分子を同定するための全細胞スクリーンの使用は、特にグラム陰性菌のものを介して、細菌の膜を介して分子の浸透の観点から標的創薬の主要な困難を克服します。重要なのは、トン一貫して0.5以上の堅牢なZ '値を日付にすべての画面で観察されたように、彼アッセイは、非常に堅牢表示されます。阻害および/ またはP.細胞内c-ジGMPレベルを促進する小分子の数を明らかにし、このプロトコルを使用してスクリーニング緑膿菌 。さらに、このアッセイはまた、殺菌またはOD 600読み出しが低下静菌性化合物を同定する可能性を有します。
プロトコルのセクションで説明されていないが、実験の準備のためのいくつかの重要な考慮事項があります。 GFP bioreporterがプラスミドに基づいていることを念頭に置くことが不可欠です。レポータープラスミドをP.で非常に安定であることが知られているが緑膿菌は 、それを-80℃のグリセロールストックから新鮮にメッキ菌株を使用するには、したがって必要性、連続再メッキ後に失われ、蛍光発現を確認することが重要であることができます。画面全体に均一に成長条件を維持するためにも非常に有用ですこれらの条件のいずれかの変動は、画面上のノックに影響を与える可能性があるため。これは、メディアや抗生物質がバッチであらかじめ作られ、画面の過程で使用されていることを特定すること含むことになります。細菌培養物は、均一なやり方で(OD 600読み取りアウトに基づいて)成長していないこの自然の中で最も高スループットスクリーニングのための共通の問題です。これは、エフェクトやプレートに不均質な細菌培養物を分配し、エッジに起因することができます。前者については、インキュベーションの間に使用されるガス透過性シールが不可欠であることを確認すること。後者のために、培養物の容量を持つ液体ハンドラーチューブをプライミングしながら少なくとも3回は、チューブ自体のデッドボリュームが推奨されます。分配中、最小の速度で磁気撹拌機を保つことが重要です。実験の過程にわたって一貫した成長のために監視し、384ウェルプレートのストレージが最も重要ですが、それは国連の原因となりますので、回避する状況がインキュベーション中、プレートの積み重ねであり、成長パターンにおけるスキューにつながる酸素勾配を望んでいました。陰性対照として使用したDMSOビヒクルは、負に関心の株の成長に影響を与えていないことを保証することも重要です。成長に関連したこれらの問題の多くは、スクリーニング前に関心の細菌株でモックスクリーニングを行うことによって回避することができます。 c-ジGMP阻害結果は、細胞密度の変化について補正されなければならない任意の蛍光強度単位で変更することによって計算されることを考えると、データ解釈メリットを考慮。これを念頭に置いて、これらの実験から出力されたデータを評価するための別の数式も考慮すべきです。例えば、化合物は、c-ジ-GMPの阻害剤として現れる可能性がありますが、実際に同定されたヒットの慎重な解釈を必要とする、成長阻害剤またはその逆です。
このの開発と性能の間に考慮しなければならないいくつかの欠点と制限があります。ハイスループット細胞ベースの画面。例えば、検出特性を潜在的に画面に使用される小分子の影響を受ける可能性がある蛍光プローブを用いた携帯c-ジ-GMPレベルの間接的な測定にバイオレポーター機能。接線方向の問題は、細胞ベースのアッセイは、細胞内のc-ジ-GMPのレベルの変化の背後にあるメカニズムについて何の情報も与えないという事実です。したがって、実験の重要な観察は、細菌細胞内のc-ジGMPの変動を測定するための「ゴールドスタンダード」法と考えられている高速液体クロマトグラフィー – 質量分析法を用いて確認されなければなりません。細菌細胞は、( インビボ )宿主との関連で成長させたようにまた、我々の手順は、 インビトロで増殖した細菌の挙動に関する情報を提供することができます すぐにこのような環境のために彼らの活動を変更します。さらに、GFPのbioreporterを使用するプロセスは、画面がかからないことを意味しますアカウントへの細菌細胞の生理学的状態。しかし、プロトコルは、画面の過程で個々のウェルの顕微鏡モニタリングに適合させることができます。
でも、これらの考慮事項および制限付きで、このハイスループットアッセイは、まだ細胞内のc-ジ-GMPレベルを妨害することができる小分子のための堅牢な画面です。多くの細菌性病原体を含む多くの微生物種が細胞内c-ジGMPレベルの調節を特徴づけるために研究されているので、我々のプロトコルは、多様な細菌種に適用され、より複雑な複数種の細菌モデルの研究に拡張することができます。アッセイは、容易に使用される成長条件を変えることにより、他の細菌種のために最適化することができ、または異なるbioreportersを使用して、他の出力を読み取るように適合させることができます。種々のインキュベーション時間は、対象の成長段階に応じて適用することができます。スケールアップまたはスループットが増加したときしかし、それはimportanです細菌はまだプレート調製物および読み出し測定中に成長されることを心に留めておくべきトン。そのためには、このプロトコルを使用して、一度に15のプレートの最大値を選別することをお勧めします。また、以上の384ウェルを有するプレートを使用すると、更なる最適化を必要とする、均一な成長を許可しない場合があります。プレートの数を縮小する場合は、手動で、電子ピペットの代わりに液体処理ロボットを用いて接種することがより適切であり得ます。このプロトコルは、抗バイオフィルム化合物は、c-ジGMPシグナル伝達を妨害することを考えると、バイオフィルムを分散させる小分子を調査するために使用され得ることは明らかです。プロトコルはまた、細菌の生理機能の様々な側面を理解するために再開発することができます。 c-ジ-GMPシグナリングは、ほとんどの細菌において優勢であることを考えると、このプロトコルを使用して、これらの生物の生理機能を研究することによって、我々は彼らの作業機構がc-ジ-GMPシグナリングを必要とするかどうかを判断するために、異なる化学的刺激を識別することができます。
_contentは ">要約すると、このプロトコルで提示されたアプローチの堅牢性と汎用性は、多くの生物学的システムにおけるシグナリングc-ジ-GMPの化学的モジュレーターの同定を支援します。The authors have nothing to disclose.
We thank the Tolker-Nielsen lab for their generous donation of reporter constructs used to develop the screen. We also thank members of the Ryan laboratory for their helpful comments and critical reading of the manuscript. The work of the authors has been supported in part by grants awarded by the Wellcome Trust (WT100204AIA senior fellowship grant to R.P.R. and 093714/Z/10/Z PhD scholarship to K.N.R.).
Lysogeny Broth (Lennox) | Sigma Aldrich | L3022-1KG |
Sucrose | Sigma Aldrich | S0389-1KG |
Lysogeny Broth with Agar (Lennox) | Sigma Aldrich | L2897-1KG |
Ampicillin sodium | Sigma Aldrich | A0166-25G |
Glycerol | Sigma Aldrich | G5516-1L |
Phosphate Buffered Saline, pH 7.4 | Life technologies | 10010-056 |
Tobramycin sulfate | Sigma Aldrich | T1783-100MG |
Dimethyl Sulfoxide (DMSO) | Sigma Aldrich | 276855-250ML |
Genesys 10S UV-Vis spectrophotometer | Thermoscientific | 840-208100 |
2 mm gap electroporator cuvette | Bio-Rad | 1652092 |
BioRad GenePulser XCell electroporator | Bio-Rad | 1652662 |
Leica Fluorescent Stereomicroscope | Leica Microsystems | MZ16FA |
BRAND magnetic stirring bar, PTFE, cylindrical with pivot ring (sterilise by autoclaving before use) | Sigma Aldrich | Z328952-10EA |
384-well, white-walled, clear-bottom plates | Greiner | 781098 |
Multidrop Combi reagent dispenser | Thermo Scientific | 5840300 |
Multidrop Combi tubing | Thermo Scientific | 24073290 |
VIAFLO II 16-channel electronic pipette | Integra Biosciences | 4642 |
100 mL sterile disposable reagent reservoirs | Fisher Scientific | 12399175 |
AeraSeal air-permeable membranes | Sigma Aldrich | MKBQ1886 |
Pherastar plate reader (Software version: 4.00 R4, Firmware version: 1.13) | BMG Labtech | Pherastar FS |