Extractie en visualisatie van eiwitaggregaten na behandeling van Escherichia coli met een proteotoxische stressor
Summary
Dit protocol beschrijft de extractie en visualisatie van geaggregeerde en oplosbare eiwitten uit Escherichia coli na behandeling met een proteotoxisch antimicrobieel middel. Het volgen van deze procedure maakt een kwalitatieve vergelijking mogelijk van de vorming van eiwitaggregaten in vivo in verschillende bacteriestammen en/of tussen behandelingen.
Abstract
De blootstelling van levende organismen aan omgevings- en cellulaire stress veroorzaakt vaak verstoringen in eiwithomeostase en kan resulteren in eiwitaggregatie. De accumulatie van eiwitaggregaten in bacteriële cellen kan leiden tot significante veranderingen in het cellulaire fenotypische gedrag, waaronder een vermindering van groeisnelheden, stressbestendigheid en virulentie. Er bestaan verschillende experimentele procedures voor het onderzoek van deze stressor-gemedieerde fenotypen. Dit artikel beschrijft een geoptimaliseerde test voor de extractie en visualisatie van geaggregeerde en oplosbare eiwitten uit verschillende Escherichia coli-stammen na behandeling met een zilver-ruthenium-bevattende antimicrobiële stof. Van deze verbinding is bekend dat het reactieve zuurstofsoorten genereert en wijdverspreide eiwitaggregatie veroorzaakt.
De methode combineert een op centrifugatie gebaseerde scheiding van eiwitaggregaten en oplosbare eiwitten uit behandelde en onbehandelde cellen met daaropvolgende scheiding en visualisatie door natriumdodecylsulfaat-polyacrylamidegelelektroforese (SDS-PAGE) en Coomassie-kleuring. Deze aanpak is eenvoudig, snel en maakt een kwalitatieve vergelijking mogelijk van de vorming van eiwitaggregaten in verschillende E. coli-stammen. De methodologie heeft een breed scala aan toepassingen, waaronder de mogelijkheid om de impact van andere proteotoxische antimicrobiële stoffen op in vivo eiwitaggregatie in een breed scala aan bacteriën te onderzoeken. Bovendien kan het protocol worden gebruikt om genen te identificeren die bijdragen aan een verhoogde resistentie tegen proteotoxische stoffen. Gelbanden kunnen worden gebruikt voor de daaropvolgende identificatie van eiwitten die bijzonder gevoelig zijn voor aggregatie.
Introduction
Bacteriën worden onvermijdelijk blootgesteld aan een groot aantal omgevingsstressen, waaronder een lage pH (bijvoorbeeld in de maag van zoogdieren)1,2,reactieve zuurstof- en chloorsoorten (ROS / RCS) (bijvoorbeeld tijdens oxidatieve uitbarsting in fagocyten)3,4,5,verhoogde temperaturen (bijvoorbeeld in warmwaterbronnen of tijdens hitteschok)6,7en verschillende krachtige antimicrobiële stoffen (bijv. AGXX gebruikt in dit protocol)8. Eiwitten zijn bijzonder kwetsbaar voor een van deze stressoren en blootstelling kan leiden tot het ontvouwen van eiwitten die vervolgens zadenaggregatie veroorzaken. Alle organismen maken gebruik van beschermende systemen die hen in staat stellen om te gaan met eiwit misfolding9. Ernstige stress kan echter de eiwitkwaliteitscontrolemachines overweldigen en de secundaire en / of tertiaire structuur van eiwitten verstoren, wat uiteindelijk eiwitten inactiveert. Als gevolg hiervan kunnen eiwitaggregaten ernstige afbreuk doen aan kritieke cellulaire functies die nodig zijn voor bacteriële groei en overleving, stressbestendigheid en virulentie10. Daarom is onderzoek gericht op eiwitaggregatie en de gevolgen ervan in bacteriën een relevant onderwerp vanwege de potentiële impact op de bestrijding van infectieziekten.
Warmte-geïnduceerde eiwit ontvouwen en aggregatie zijn vaak omkeerbaar7. Daarentegen kunnen andere proteotoxische spanningen, zoals oxidatieve stress, onomkeerbare eiwitmodificaties veroorzaken door de oxidatie van specifieke aminozuurzijketens, wat resulteert in eiwitont-/misvouwen en uiteindelijk eiwitaggregatie4. Stress-geïnduceerde vorming van onoplosbare eiwitaggregaten is uitgebreid bestudeerd in de context van moleculaire chaperonnes en hun beschermende functies in gist en bacteriën11,12,13. Er zijn verschillende protocollen gepubliceerd die een verscheidenheid aan biochemische technieken gebruiken voor de isolatie en analyse van onoplosbare eiwitaggregaten14,15,16,17. De bestaande protocollen zijn voornamelijk gebruikt om bacteriële eiwitaggregatie te bestuderen bij hitteschok en /of identificatie van moleculaire chaperones. Hoewel deze protocollen zeker een vooruitgang in het veld zijn geweest, zijn er enkele grote ongemakken in de experimentele procedures omdat ze (i) een groot bacteriekweekvolume van maximaal 10 L14,17, (ii) gecompliceerde fysieke verstoringsprocessen vereisen, waaronder het gebruik van celverstoorders, Franse pers en / of ultrasoonapparaat14,15,17of (iii) tijdrovende herhaalde herhaalde wassen en incubatie stappen15,16,17.
Dit artikel beschrijft een aangepast protocol dat gericht is op het aanpakken van de beperkingen van de vorige benaderingen en maakt de analyse mogelijk van de hoeveelheid eiwitaggregaten gevormd in twee verschillende Escherichia coli-stammen na behandeling met een proteotoxische antimicrobiële oppervlaktecoating. De coating bestaat uit metaal-zilver (Ag) en ruthenium (Ru) -geconditioneerd met ascorbinezuur, en de antimicrobiële activiteit wordt bereikt door het genereren van reactieve zuurstofsoorten8,18. Hierin is een gedetailleerde beschrijving van de bereiding van de bacteriecultuur na behandeling met de antimicrobiële verbinding en een vergelijking van de eiwitaggregatiestatus bij blootstelling van twee E. coli-stammen met verschillende gevoeligheidsprofielen aan toenemende concentratie van de antimicrobiële stof. De beschreven methode is goedkoop, snel en reproduceerbaar en kan worden gebruikt om eiwitaggregatie te bestuderen in aanwezigheid van andere proteotoxische verbindingen. Bovendien kan het protocol worden aangepast om de impact te analyseren die specifieke gendeleties hebben op eiwitaggregatie in een verscheidenheid aan verschillende bacteriën.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dit protocol beschrijft een geoptimaliseerde methodologie voor de analyse van eiwitaggregatievorming na behandeling van verschillende E. coli-stammen met een proteotoxisch antimicrobieel middel. Het protocol maakt de gelijktijdige extractie van onoplosbare en oplosbare eiwitfracties uit behandelde en onbehandelde E. coli-cellen mogelijk. In vergelijking met bestaande protocollen voor eiwitaggregatie-isolatie uit cellen14,15,<sup class…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door illinois state university school of biological sciences startup fondsen, Illinois State University New Faculty Initiative Grant, en de NIAID grant R15AI164585 (aan J.-U. D.). G.M.A. werd ondersteund door het Illinois State University Undergraduate Research Support Program (aan G.M.A.). K.P.H. werd ondersteund door een RISE-beurs van de Duitse Academische Uitwisselingsdienst (DAAD). De auteurs bedanken Dr. Uwe Landau en Dr. Carsten Meyer van Largentech Vertriebs GmbH voor het leveren van het AGXX poeder. Figuur 1, Figuur 2, Figuur 3, Figuur 4en Figuur 5 zijn gegenereerd met Biorender.
Materials
| Chemicals/Reagents | |||
| Acetone | Fisher Scientific | 67-64-1 | |
| 30% Acrylamide/Bisacrylamide solution 29:1 | Bio-Rad | 1610156 | |
| Ammonium persulfate | Millipore Sigma | A3678-100G | |
| Benzonase nuclease | Sigma | E1014-5KU | |
| Bluestain 2 Protein ladder, 5-245 kDa | GoldBio | P008-500 | |
| β-mercaptoethanol | Millipore Sigma | M6250-100ML | |
| Bromophenol blue | GoldBio | B-092-25 | |
| Coomassie Brilliant Blue R-250 | MP Biomedicals LLC | 821616 | |
| D-Glucose | Millipore Sigma | G8270-1KG | |
| D-Sucrose | Acros Organics | 57-50-1 | |
| Ethylenediamine tetra acetic acid (EDTA) | Sigma-Aldrich | SLBT9686 | |
| Glacial Acetic acid | Millipore Sigma | ARK2183-1L | |
| Glycerol, 99% | Sigma-Aldrich | G5516-1L | |
| Glycine | GoldBio | G-630-1 | |
| Hydrochloric acid, ACS reagent | Sigma-Aldrich | 320331-2.5L | |
| Isopropanol (2-Propanol) | Sigma | 402893-2.5L | |
| LB broth (Miller) | Millipore Sigma | L3522-1KG | |
| LB broth with agar (Miller) | Millipore Sigma | L2897-1KG | |
| Lysozyme | GoldBio | L-040-25 | |
| 10x MOPS Buffer | Teknova | M2101 | |
| Nonidet P-40 | Thomas Scientific | 9036-19-5 | |
| Potassium phosphate, dibasic | Sigma-Aldrich | P3786-1KG | |
| Potassium phosphate, monobasic | Acros Organics | 7778-77-0 | |
| Sodium dodecyl sulfate (SDS) | Sigma-Aldrich | L3771-500G | |
| Tetramethylethylenediamine (TEMED) | Millipore Sigma | T9281-50ML | |
| Thiamine | Sigma-Aldrich | T4625-100G | |
| 100% Trichloroacetic acid | Millipore Sigma | T6399-100G | |
| Tris base | GoldBio | T-400-1 | |
| Material/Equipment | |||
| Centrifuge tubes (15 mL) | Alkali Scientific | JABG-1019 | |
| Erlenmeyer flask (125 mL) | Carolina | 726686 | |
| Erlenmeyer flask (500 mL) | Carolina | 726694 | |
| Freezer: -80 °C | Fisher Scientific | ||
| Glass beads (0.5 mm) | BioSpec Products | 1107-9105 | |
| Microcentrifuge | Hermle | Z216MK | |
| Microcentriguge tubes (1.7 mL) | VWR International | 87003-294 | |
| Microcentriguge tubes (2.0 mL) | Axygen Maxiclear Microtubes | MCT-200-C | |
| Plastic cuvettes | Fischer Scientific | 14-377-012 | |
| Power supply | ThermoFisher Scientific | EC105 | |
| Rocker | Alkali Scientific | RS7235 | |
| Shaking incubator (37 °C) | Benchmark Scientific | ||
| Small glass plate | Bio-Rad | 1653311 | |
| Spacer plates (1 mm) | Bio-Rad | 1653308 | |
| Spectrophotometer | Thermoscientific | 3339053 | |
| Tabletop centrifuge for 15 mL centrifuge tubes | Beckman-Coulter | ||
| Vertical gel electrophoresis chamber | Bio-Rad | 1658004 | |
| Vortexer | Fisher Vortex Genie 2 | 12-812 | |
| Thermomixer | Benchmark Scientific | H5000-HC | |
| 10 well comb | Bio-Rad | 1653359 |
References
- Dahl, J. -. U., et al. HdeB functions as an acid-protective chaperone in bacteria. Journal of Biological Chemistry. 290 (1), 65-75 (2015).
- Foit, L., George, J. S., Zhang, B. W., Brooks, C. L., Bardwell, J. C. A. Chaperone activation by unfolding. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 110 (14), 1254-1262 (2013).
- Sultana, S., Foti, A., Dahl, J. -. U. Bacterial defense systems against the neutrophilic oxidant hypochlorous acid. Infection and Immunity. 88 (7), 00964 (2020).
- Dahl, J. -. U., Gray, M. J., Jakob, U. Protein quality control under oxidative stress conditions. Journal of Molecular Biology. 427 (7), 1549-1563 (2015).
- Groitl, B., Dahl, J. -. U., Schroeder, J. W., Jakob, U. Pseudomonas aeruginosa defense systems against microbicidal oxidants. Molecular Microbiology. 106 (3), 335-350 (2017).
- Casadevall, A. Thermal restriction as an antimicrobial function of fever. PLoS Pathogens. 12 (5), 1005577 (2016).
- Richter, K., Haslbeck, M., Buchner, J. The heat shock response: life on the verge of death. Molecular Cell. 40 (2), 253-266 (2010).
- Van Loi, V., Busche, T., Preuß, T., Kalinowski, J., Bernhardt, J. The AGXX ® antimicrobial coating causes a thiol-specific oxidative stress response and protein S-bacillithiolation in Staphylococcus aureus. Frontiers in Microbiology. 9, 3037 (2018).
- Anfinsen, C. B., Scheraga, H. A. Experimental and theoretical aspects of protein folding. Advances in Protein Chemistry. 29, 205-300 (1975).
- Schramm, F. D., Schroeder, K., Jonas, K. Protein aggregation in bacteria. FEMS Microbiology Reviews. 44 (1), 54-72 (2020).
- Tomoyasu, T., Mogk, A., Langen, H., Goloubinoff, P., Bukau, B. Genetic dissection of the roles of chaperones and proteases in protein folding and degradation in the Escherichia coli cytosol. Molecular Microbiology. 40 (2), 397-413 (2001).
- Gray, M. J., et al. Polyphosphate is a primordial chaperone. Molecular Cell. 53 (5), 689-699 (2014).
- Weids, A. J., Ibstedt, S., Tamás, M. J., Grant, C. M. Distinct stress conditions result in aggregation of proteins with similar properties. Scientific Reports. 6, 24554 (2016).
- Mogk, A., et al. Identification of thermolabile Escherichia coli proteins: prevention and reversion of aggregation by DnaK and ClpB. EMBO Journal. 18 (24), 6934-6949 (1999).
- Fay, A., Glickman, M. S. An essential nonredundant role for mycobacterial DnaK in native protein folding. PLoS Genetics. 10 (7), 1004516 (2014).
- Schramm, F. D., Heinrich, K., Thüring, M., Bernhardt, J., Jonas, K. An essential regulatory function of the DnaK chaperone dictates the decision between proliferation and maintenance in Caulobacter crescentus. PLoS Genetics. 13 (12), 1007148 (2017).
- Maisonneuve, E., Fraysse, L., Moinier, D., Dukan, S. Existence of abnormal protein aggregates in healthy Escherichia coli cells. Journal of Bacteriology. 190 (3), 887-893 (2008).
- Heiss, A., Freisinger, B., Held-Föhn, E. Enhanced antibacterial activity of silver-ruthenium coated hollow microparticles. Biointerphases. 12 (5), (2017).
- Papnayotou, I., Sun, B., Roth, A. F., Davis, N. G. Protein aggregation induced during glass bead lysis of yeast. Yeast. 27 (10), 801-816 (2010).
- Chuang, S. E., Blattner, F. R. Characterization of twenty-six new heat shock genes of Escherichia coli. Journal of Bacteriology. 175 (16), 5242-5252 (1993).
- Imlay, J. A. The molecular mechanisms and physiological consequences of oxidative stress: Lessons from a model bacterium. Nature Reviews Microbiology. 11 (7), 443-454 (2013).
- Mühlhofer, M., et al. The heat shock response in yeast maintains protein homeostasis by chaperoning and replenishing proteins. Cell Reports. 29 (13), 4593-4607 (2019).
- Chandrangsu, P., Rensing, C., Helmann, J. D. Metal homeostasis and resistance in bacteria. Nature Reviews Microbiology. 15, 338-350 (2017).
- Stevens, M., et al. HSP60/10 chaperonin systems are inhibited by a variety of approved drugs, natural products, and known bioactive molecules. Bioorganic and Medicinal Chemistry Letters. 29 (9), 1106-1112 (2019).
- Schramm, F. D., Schroeder, K., Alvelid, J., Testa, I., Jonas, K. Growth-driven displacement of protein aggregates along the cell length ensures partitioning to both daughter cells in Caulobacter crescentus. Molecular Microbiology. 111 (6), 1430-1448 (2019).
