本文介绍了一种已成功建立的高通量检测方法,可用于筛选大量小分子化合物文库,以评估其调控细胞内环二鸟苷酸(cyclic di-GMP)水平的潜在能力 铜绿假单胞菌为抗菌药物发现和化合物筛选提供了一种新的强大工具。
本文介绍了一种已成功建立的高通量检测方法,可用于筛选大量小分子化合物文库,以评估其调控细胞内环二鸟苷酸(cyclic di-GMP)水平的潜在能力 铜绿假单胞菌为抗菌药物发现和化合物筛选提供了一种新的强大工具。
细菌对传统抗生素的耐药性促使研究人员致力于在新近发现的调控通路中寻找新的药物靶点。利用细胞内环二鸟苷酸(c-di-GMP)作为第二信使的调控系统便是其中一类潜在靶点。c-di-GMP 是一种几乎存在于所有细菌中的信号分子,可调控多种生物学过程,包括抗生素耐药性、生物膜形成以及毒力。目前对 c-di-GMP 信号通路如何调控耐药性生物膜发育机制的理解提示,通过改变细胞内该核苷酸的浓度或干扰其信号传导通路,可能抑制生物膜的形成,或增强生物膜对抗生素的敏感性。本文介绍一种基于绿色荧光蛋白(GFP)的简单高通量生物报告系统,其表达受 c-di-GMP 响应型启动子 cdrA 的调控,可用于快速筛选能够调节铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa,P. aeruginosa)细胞内 c-di-GMP 水平的小分子化合物。该方法在 48 小时内可筛选超过 3,500 种化合物,并可适用于多种微生物体系。
临床上重要抗生素的细菌耐药性迅速发展,是目前全球医疗专业人员面临的主要问题之一。传统抗生素的失效促使人们开始寻找能够干扰细菌毒力及疾病进展相关过程的新型化学物质1。其中,利用细胞内第二信使环状二鸟苷单磷酸(c-di-GMP)的调控系统,近年来已成为一个具有前景的靶点2-4。已有研究证实,这种全局性第二信使信号分子可调控多种功能,包括抗生素耐药性、黏附、生物膜形成以及疾病发生2-4。
目前认为,细菌细胞内 c-di-GMP 的细胞水平由其合成与降解共同调控:含有 GGDEF 结构域的双鸟苷酸环化酶(DGCs)利用两分子 GTP 合成 c-di-GMP,而含有 EAL 或 HD-GYP 结构域的磷酸二酯酶(PDEs)则催化 c-di-GMP 的降解(详见文献 (3, 5))。含有这些结构域的蛋白质通常还包含其他信号传导结构域,表明其在 c-di-GMP 转换中的活性可能直接受到或间接受到环境或细胞信号的调控3,5。因此,c-di-GMP 信号通路的功能是将多种环境信号的感知与细菌表型的改变相连接。c-di-GMP 通过多种机制在转录、转录后及翻译后水平上对细菌基因表达发挥调控作用4。
c-di-GMP 在许多细菌细胞中的一个重要影响是决定细菌的“生活方式”,特别是调控游动的浮游细胞与附着于表面或形成多细胞生物膜结构的固着细胞之间的转换3,5。通常,细胞内较高的 c-di-GMP 水平与生物膜形成和固着生活方式相关,而较低的细胞内水平则在许多细菌病原体中促进运动性和毒力因子的合成3,5。因此,更深入地了解 c-di-GMP 信号传导机制,可能为抑制细菌病原体的生物膜形成和毒力提供策略。然而,这一任务极具挑战性,因为大多数细菌基因组编码大量含有 GGDEF、EAL 和/或 HD-GYP 结构域的蛋白质(例如 P. aeruginosa 拥有超过 40 种此类蛋白)以及多种效应因子6,7。
然而,尽管存在这种复杂性,最近的证据表明,通过调控c-di-GMP信号通路的策略,可能被开发用于预防耐药性感染的发生,或使其对免疫系统敏感,或通过与经典抗生素联合使用实现有效治疗2与此一致的是,已有实验证实,人工降低细胞内c-di-GMP水平可导致 体外培养的 P. aeruginosa 导致生物膜形成减少以及对抗微生物药物的敏感性增加,而 P. aeruginosa小鼠腹腔内硅胶植入物上形成的生物膜可采用类似方式分散8-11.
在此,我们介绍一种基于荧光的高通量报告基因检测方法,用于筛选可能调节细胞内c-di-GMP水平的小分子 P. aeruginosa (图1该检测基于利用先前开发的GFP报告系统测定细胞内c-di-GMP水平,该报告系统的表达在转录水平上与c-di-GMP响应元件相偶联 cdrA 启动子12. 本方案描述了报告基因载体在 P. aeruginosa 目标菌株、化合物平板制备、384孔板培养接种、生长条件,以及数据采集、管理和分析的详细信息(图1总体而言,该实验方案将有助于研究人员鉴定出可能靶向细菌中 c-di-GMP 信号通路的新化合物,并可用于深入理解相关生物学机制的研究。 P. aeruginosa.
注意:纯化的 c-di-GMP 报告质粒的克隆与转化步骤在其他文献中有讨论12。
1. 生成表达GFP标记的c-di-GMP报告系统的P. aeruginosa菌株
2. 接种用起始培养物的制备
3. 小分子384孔板的接种与培养
注意:无菌操作和良好的无菌技术对以下步骤至关重要。
4. 生长(OD600)和细胞内c-di-GMP水平(GFP)的测定
5. 数据分析



此处所述的方法可使单名研究人员在48小时内高效且成功地筛选平均约3,500种化合物。高通量筛选方案的概览以流程图形式展示于 图1在本研究中,我们在终浓度下,针对符合五规则的化合物文库进行了筛选,以寻找潜在的c-di-GMP调节化合物 600 µM然而,目前有许多市售的类药物和非类药物化合物库可用于该检测。这些化合物库可以是针对细菌的化合物,也可以是随机混合的化合物,但每种文库都具有预先确定的理化性质和特征,例如本实验中筛选的这一化合物库,其含有极性官能团和多个立体生成中心。在本方案中,根据所示布局,将细菌与化合物、抗生素阳性对照以及DMSO溶剂对照一同接种到微孔板中 图2. 图3 展示了以单个文库孔板为例的初筛结果。代表性OD600 和GFP原始数据如图所示 图3A 和 3B,分别对应。颜色梯度热图采用从热(红色)到冷(绿色)的颜色表示低至高的OD值600/GFP 值已应用于各孔的数值。热图通过电子表格软件生成,采用三色阶条件格式,颜色跨度从最低的 OD600/GFP 读数直至最高 OD600/GFP 读数。低 OD600 GFP 值相对于 DMSO 阴性对照分别表示对生长和 c-di-GMP 水平的抑制,而相对于 DMSO 阴性对照的较高值则分别表示对生长和 c-di-GMP 水平的促进。OD 的稳健 z' 值600 和GFP根据方案中提供的公式(5.1)进行计算。由于二者均高于0.5(分别为0.694和0.761),表明实验质量可靠,数据可进一步分析。生长抑制率(OD600细胞内c-di-GMP水平(GFP)和相对荧光强度(RFU)通过方案中提供的公式(5.2、5.3)进行计算。代表性数据如图所示。 图 4A 和 4B 分别为。已对孔内数值应用颜色梯度热图,颜色从热(红色)到冷(绿色)表示抑制率从低到高。抑制率的散点图(OD600/GFP) 基于初筛结果,来自各个孔的数据被绘制在 图5A 和 5B 用于 OD600 以及GFP数据。选择±50%作为阈值(以虚线表示)用于阳性结果判定。基于该阈值识别出的潜在阳性结果以红点标示。从该检测中可区分出两类感兴趣的化合物。在检测中鉴定出的阳性结果 图5A 是能够抑制细菌生长的化合物,而筛选中鉴定出的阳性结果 图5B 是可能具有调节细胞内 c-di-GMP 水平能力的化合物。本实验已鉴定出两种代表性阳性化合物:化合物 A,一种潜在的生长抑制剂;以及化合物 B,一种潜在的 c-di-GMP 抑制剂。化合物 A 对应于 F8 孔 图3 和 4 生长抑制率为72.5%。环二鸟苷单磷酸(cyclic di-GMP)水平也出现预期的相应抑制。化合物B对应于孔K3 图3 和 4 且使环二-GMP水平降低了61%,而生长未发生改变。选出的阳性化合物进一步通过10个浓度点的剂量-反应实验进行验证,最高浓度为2 mM,并进行两倍系列稀释。IC50 根据剂量-反应曲线计算得出数值(图6A和B).

图1. 概述:在P. aeruginosa中筛选可调节细胞内c-di-GMP水平的小分子化合物的高通量实验设置。 本图展示了本实验所用方案的逐步流程。将铜绿假单胞菌(P. aeruginosa)单菌落于LB起始培养基中过夜培养。使用试剂分配器将菌液接种至含有待筛选化合物的384孔板中。将384孔板孵育6小时后,测定OD600和GFP值。通过这些检测信号,可鉴定出影响细胞内c-di-GMP水平的化合物。请点击此处查看该图的放大版本。

图 2. 小分子筛选实验所用的 384 孔板图谱。 文库中的化合物(浅蓝色)被分配至 A1–P22 孔中。“阳性对照”(红色)为终浓度 50 µg/ml 的妥布霉素硫酸盐,加入 A23–P23 孔中;“阴性对照”(绿色)为终浓度 1% 的 DMSO,加入 A24–P24 孔中。请点击此处查看该图的放大版本。

图3. 一个384孔筛选板的代表性结果。 代表性原始数据包括OD600(A)和GFP(B)。已对孔位数值应用了颜色梯度热图,颜色从热(红色:OD600 = 0.65 或 GFP = 250,000)到冷(绿色:OD600 = 0.10 或 GFP = 40,000),表示数值由低到高。相对于DMSO阴性对照,OD600/GFP读数较低的孔倾向于呈现红色,而OD600/GFP读数较高的孔则倾向于呈现绿色。请点击此处查看该图的放大版本。

图4. 384孔板中计算的抑制百分比的代表性结果。 分析的%抑制数据分别展示于OD600(A)和GFP(B)的检测结果中。孔位数值采用颜色梯度热图表示,颜色从热(红色:OD600 = -150% 或 GFP = -20%)到冷(绿色:OD600 = 100% 或 GFP = 100%),表示抑制程度由低到高。可能抑制细菌生长和细胞内c-di-GMP水平的小分子通常呈现绿色,而可能促进生长和细胞内c-di-GMP水平的小分子则通常呈现红色。请点击此处查看该图的放大版本。

图 5. 各测试小分子化合物的 % 抑制率(OD600/GFP) 代表性散点图。每个小分子用一个点表示,分别展示了 OD600(A)和 GFP(B)检测信号的抑制率分布情况。以 ±50% 作为阈值用于筛选潜在活性化合物。潜在阳性结果以红色高亮显示。请点击此处查看该图的放大版本。

图6. 剂量-反应实验的代表性结果。 从前期筛选中鉴定出的两种化合物(潜在生长抑制剂A和潜在c-di-GMP抑制剂B)在10个浓度点的剂量-反应实验中进一步测试,最高浓度为2 mM,并进行两倍系列稀释。通过拟合四参数逻辑函数,得到的IC50值分别为158 µM和193 µM。请点击此处查看该图的放大版本。
为了改善细菌感染的治疗,显然需要更深入地理解细菌在分子调控层面的行为。本文所述方法将有助于微生物学家、生物化学家和临床医生发现那些有可能调控或干扰细菌细胞内第二信使环二鸟苷酸(c-di-GMP)浓度的小分子。该方法利用一种 recently developed GFP 生物传感器来监测细菌细胞内的 c-di-GMP 水平 P. aeruginosa12该生物报告系统已得到验证,重要的是,在5% LB的PBS培养条件下,其不会影响所用菌株的生长。利用全细胞筛选方法鉴定可改变c-di-GMP水平的小分子 体内 克服了基于靶点的药物发现中分子穿透细菌膜的主要难题,特别是穿透革兰氏阴性菌膜的难题。重要的是,该检测方法表现出极高的稳健性,迄今为止所有筛选实验中,z' 值 consistently 高于 0.5。采用本方案进行筛选将发现若干可抑制和/或促进细胞内 c-di-GMP 水平的小分子 P. aeruginosa此外,该检测方法还有望鉴定出具有杀菌或抑菌作用的化合物,这些化合物会导致OD值下降600 读出
尽管实验方案部分未予讨论,但实验准备过程中有几个重要事项需要考虑。必须牢记,GFP 生物报告系统基于质粒构建。尽管该报告质粒在 P. aeruginosa中具有高度稳定性,但在连续传代过程中仍可能丢失,因此必须使用从-80 °C甘油保藏菌种新划线的菌株,并且检测荧光表达至关重要。在整个筛选过程中维持一致的培养条件也非常关键,因为这些条件的任何波动都可能对筛选结果产生连锁影响。这包括确保培养基和抗生素预先批量制备,并在整个筛选过程中统一使用。细菌培养物生长不均(基于OD600读数)是此类高通量筛选中最常见的问题之一。这可能是由于边缘效应,或向孔板中加入的菌液不均一所致。针对前者,孵育过程中必须使用透气封板膜;针对后者,建议使用至少三倍于管路死体积的菌液对液体处理设备的管路进行预润洗。分液过程中磁力搅拌器必须保持最低转速。在实验过程中,为确保384孔板中细菌生长的一致性,监测和储存条件极为重要,应避免在孵育期间堆叠孔板,因为这可能导致不必要的氧气梯度,从而引起生长模式的偏移。还需注意,作为阴性对照使用的DMSO溶剂不应抑制目标菌株的生长。在正式筛选前,使用目标菌株进行一次模拟筛选,可有效避免上述多数生长相关问题。数据解读同样需要审慎考虑,因为c-di-GMP抑制效果是通过任意荧光强度单位的变化来计算的,且必须校正细胞密度变化的影响。鉴于此,也应考虑采用不同的数学公式来评估这些实验的数据输出。 例如,某化合物可能表现为c-di-GMP抑制剂,但实际上可能是生长抑制剂,反之亦然,因此对筛选出的阳性结果需进行谨慎解读。
在开发和实施这种高通量细胞筛选方法时,必须考虑若干缺陷和局限性。例如,该生物报告系统通过荧光探针间接检测细胞内c-di-GMP水平,而筛选中使用的小分子可能会影响该探针的检测性能。另一个相关问题是,基于细胞的检测方法无法提供有关细胞内c-di-GMP水平变化机制的信息。因此,实验中获得的重要结果必须通过高效液相色谱-质谱联用技术进行验证,该方法被公认为 "金标准" 用于检测细菌内c-di-GMP水平波动的方法。此外,本方法仅能提供有关培养条件下细菌行为的信息 体外,因为细菌细胞在宿主环境条件下生长时(体内) 由于该环境的影响,细菌会迅速改变其活性。此外,使用GFP生物报告系统进行筛选时,无法考虑细菌细胞的生理状态。然而,该方案可调整为在筛选过程中通过显微镜对单个孔进行实时监测。
尽管存在上述考虑和局限性,该高通量检测方法仍然是筛选能够干扰细胞内 c-di-GMP 水平的小分子的有效手段。由于已有大量微生物物种(包括多种细菌病原体)被用于研究细胞内 c-di-GMP 水平的调控机制,因此本实验方案可应用于多种细菌物种,并可拓展至更复杂的多物种细菌模型研究。通过调整培养条件,该检测方法可轻松优化以适用于其他细菌物种;也可通过使用不同的生物报告系统,适配于检测其他输出信号。根据感兴趣的生长阶段,可采用不同的孵育时间。然而,在扩大实验规模或提高通量时,必须注意细菌在微孔板制备和检测读数过程中仍会持续生长。因此,建议每次使用本方案最多同时处理 15 块微孔板。此外,使用超过 384 孔的微孔板可能无法保证细菌生长的均一性,需要进一步优化。当减少微孔板数量时,使用电子移液器手动接种可能比使用液体处理机器人更为合适。显然,鉴于抗生物膜化合物可干扰 c-di-GMP 信号通路,本方案可用于研究能够分散生物膜的小分子。该方案还可被重新开发,用于探究细菌生理学的多个方面。由于 c-di-GMP 信号通路在大多数细菌中普遍存在,通过本方案研究这些生物体的生理特性,可识别不同的化学刺激物,并确定其作用机制是否依赖于 c-di-GMP 信号通路。
总之,本实验方案中所介绍的方法具有高度的稳健性和广泛的应用性,将有助于在多种生物系统中鉴定出调控环二鸟苷酸(c-di-GMP)信号通路的化学分子。
作者无任何利益冲突需要披露。
我们感谢Tolker-Nielsen实验室慷慨提供了用于开发筛选方法的报告基因构建体。同时感谢Ryan实验室成员对本文提出的宝贵意见和审阅。作者的研究工作部分得到了惠康信托基金(Wellcome Trust)的资助,其中包括授予R.P.R.的WT100204AIA高级研究员基金以及授予K.N.R.的093714/Z/10/Z博士奖学金。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 胰蛋白胨肉汤(Lennox) | Sigma Aldrich | L3022-1KG | |
| 蔗糖 | Sigma Aldrich | S0389-1KG | |
| 含琼脂的胰蛋白胨肉汤(Lennox) | Sigma Aldrich | L2897-1KG | |
| 氨苄青霉素钠 | Sigma Aldrich | A0166-25G | |
| 甘油 | Sigma Aldrich | G5516-1L | |
| 磷酸盐缓冲液,pH 7.4 | Life technologies | 10010-056 | |
| 妥布霉素硫酸盐 | Sigma Aldrich | T1783-100MG | |
| 二甲基亚砜(DMSO) | Sigma Aldrich | 276855-250ML | |
| Genesys 10S 紫外-可见分光光度计 | Thermoscientific | 840-208100 | |
| 2 mm 间隙电穿孔比色皿 | Bio-Rad | 1652092 | |
| BioRad GenePulser XCell 电穿孔仪 | Bio-Rad | 1652662 | |
| Leica 荧光体视显微镜 | Leica Microsystems | MZ16FA | |
| BRAND 磁力搅拌子,PTFE 材质,圆柱形带枢轴环(使用前需高压灭菌) | Sigma Aldrich | Z328952-10EA | |
| 384 孔,白色孔壁,透明底板 | Greiner | 781098 | |
| Multidrop Combi 试剂分配器 | Thermo Scientific | 5840300 | |
| Multidrop Combi 管路 | Thermo Scientific | 24073290 | |
| VIAFLO II 16 通道电子移液器 | Integra Biosciences | 4642 | |
| 100 ml 无菌一次性试剂储液槽 | Fisher Scientific | 12399175 | |
| AeraSeal 透气膜 | Sigma Aldrich | MKBQ1886 | |
| Pherastar 酶标仪(软件版本:4.00 R4,固件版本:1.13) | BMG Labtech | Pherastar FS |