Aufbau der 96-Well-Platte für das Screening von Medikamenten
Die Verwendung von S. pombe zur Expression eines C-terminalen GFP-markierten S. aureus FtsZ aus einem Vektor (pREP42), der den mittelstarken thiaminhaltigen repressiblen Promotor nmt41enthält, wurde zuvor nachgewiesen17 und in ähnlicher Weise wurde das mit N- terminalem GFP markierte E. coli MreB auch in S. pombe14 exprimiert. Wir haben auch gezeigt, dass PC190723, ein spezifischer Inhibitor von SaFtsZ, und A22, ein MreB-Inhibitor, ihre Wirkung auf die jeweiligen bakteriellen Zytoskelettproteine in spezifischer Weise ausüben können, wenn sie in Hefeexprimiert werden 14,17.
Hier schlagen wir vor, das Hefeexpressionssystem zu nutzen, um ein mittleres oder hohes Durchsatz-Screening von antibakteriellen Wirkstoffen zu entwickeln, die auf die bakteriellen Zytoskelettproteine abzielen. Ein Epifluoreszenzmikroskop mit einem motorisierten Tisch kann automatisiert werden, um eine 96-Well-Platte abzubilden, und kommerzielle Arzneimittelbibliotheken sind auch in 96-Well-Plattenformaten erhältlich. Wir bevorzugen daher die Verwendung einer 96-Well-Platte für das vorgeschlagene Screening von Medikamenten. Die Platten werden wie in Abbildung 1 dargestellt eingestellt. Die erste Reihe (Abbildung 1A) besteht aus SaFtsZ-GFP, das die Hefekultur exprimiert. Die zweite Reihe (Abbildung 1B) besteht aus Hefekulturen, die GFP-EcMreB exprimieren. Die ersten beiden Spalten der ersten beiden Zeilen (A1:B2) werden als leeres Medium festgelegt. Die folgenden sechs Spalten der ersten beiden Zeilen (A3:B12) sind als DMSO-Kontrolle mit drei verschiedenen Konzentrationen entsprechend den Arzneimittelverdünnungen in doppelter Ausführung eingestellt. Als nächstes werden PC190723 (56,2 μM) und A22 (72,6 μM) zu Hefezellen hinzugefügt, die SaFtsZ-GFP oder GFP-EcMreB exprimieren. PC190723 und A22 dienen als Positivkontrollen für FtsZ bzw. MreB. Alle anderen Vertiefungen (C1:F12) werden für die Zugabe verschiedener Medikamente (in drei verschiedenen Konzentrationen und in doppelter Vielfalt) verwendet, die im Screening zur Identifizierung von Effektoren der bakteriellen Zytoskelettproteine, SaFtsZ oder EcMreB, verwendet werden. Hefekulturen, die das GFP-markierte SaFtsZ oder MreB exprimieren, werden in diese 96-Well-Platten abgegeben und gezüchtet, bis die Auswirkungen der Wirkstoffe auf den Zusammenbau von Polymeren sichtbar sind.
Abschätzung von Wachstumseffekten auf Hefezellen
Nach der Inkubation des 96-Wells mit subkultivierten Zellen bei 30 °C für 6 bis 10 Stunden wird die optische Dichte (OD) der Hefekultur mit einem Mikroplatten-Reader gemessen. Die Messung der OD hilft bei der Beurteilung einer wachstumshemmenden Wirkung der Arzneimittel gegen die eukaryotischen Hefezellen und möglicherweise schädlicher Auswirkungen auf menschliche Zellen. Somit kann dieser Assay verwendet werden, um mehrere Arzneimittel basierend auf ihrer Toxizität im Hefesystem auszusieben. Weder PC190723 noch A22 zeigen jedoch Wachstumseffekte oder Toxizität für Hefezellen, und die OD600 der Kulturen, die SaFtsZ-GFP exprimieren und mit DMSO, PC190723 oder A22 behandelt wurden, betrugen 0,38 ± 0,03, 0,44 ± 0,02 bzw. 0,43 ± 0,06 (N ≥ 4). Ebenso betrugen die OD600 der Kulturen, die GFP-EcMreB exprimieren und mit DMSO, PC190723 oder A22 behandelt wurden, 0,38 ± 0,04, 0,44 ± 0,07 bzw. 0,41 ± 0,08 (N ≥ 4).
Visualisierung der Wirkung der Wirkstoffe auf die polymeren Strukturen, die durch SaFtsZ und EcMreB in S. pombe exprimiert werden
Um die Wirkung der Wirkstoffe auf die Polymerisation von SaFtsZ oder EcMreB zu beurteilen, wird ein Aliquot der Hefezellen aus der oben erwähnten 96-Well-Platte, die Wirkstoffe enthält, auf eine andere 96-Well-Platte mit optisch klarem Glasboden 96-Well, die für die Fluoreszenzbildgebung geeignet ist, übertragen. Diese 96-Well-Platte ist ebenfalls mit Concanavalin A beschichtet, um die Adhäsion der Hefezellen zu ermöglichen, die das GFP-markierte SaFtsZ oder EcMreB exprimieren. Die 96-Well-Platte wird mit einem Epifluoreszenzmikroskop abgebildet, das alle 96-Wells der Platte an den vorgegebenen Positionen abdeckt, die von der Bildaufnahmesoftware gesteuert werden (Abbildung 2). In den Kontrollvertiefungen (DMSO-behandelt) zeigten Hefezellen, die SaFtsZ-GFP exprimierten, polymere Strukturen in Form von Flecken oder Flecken, die in den Zellen verteilt waren, nach 16 - 18 Stunden Wachstum in Abwesenheit von Thiamin. 10 - 12 h nach dem Wachstum des Thiaminmangels zeigten die Zellen jedoch nur diffuse Fluoreszenz oder wenige Flecken, was darauf hindeutet, dass die FtsZ-GFP-Expression nicht die für die Polymerisation erforderliche kritische Konzentration erreicht hatte (Abbildung 3A). Im Gegensatz dazu zeigte das FtsZ-stabilisierende Medikament, PC190723, eine signifikante Zunahme der polymeren Strukturen (Spots oder Patches) von SaFtsZ-GFP im Vergleich zur DMSO-Kontrolle nach 12 Stunden Wachstum (Abbildung 3B), die als Positivkontrolle diente. Im Gegensatz dazu zeigten Zellen, die mit A22 behandelt wurden, keinen Unterschied in den assemblierten SaFtsZ-GFP-Strukturen (Abbildung 3C). Anders als in Kulturen, die mit PC190723 behandelt wurden, assemblierte sich SaFtsZ-GFP in unbehandelten Kulturen jedoch nur dann zu Pflastern, wenn es über längere Zeiträume induziert wurde, was zeigt, dass PC190723 wirkte, um die kritische Polymerisationskonzentration von SaFtsZ zu reduzieren (Abbildung 3D). Ebenso bildete GFP-EcMreB, exprimiert in S. pombe , lineare Anordnungen langer Filamente entlang der Längsachse der Spalthefe (Abbildung 4A). Während PC190723 keinen Einfluss auf die EcMreB-Polymerisation hatte (Abbildung 4B), führte die Behandlung von Zellen mit A22 zu einer diffusen Fluoreszenz im gesamten Zytoplasma der Hefezellen (Abbildung 4C). Die Bilder der restlichen 96-Well-Platten werden visuell auf Stabilisierung oder inhibitorische Wirkungen der Medikamente auf das SaFtsZ bzw. EcMreB überprüft.
Der Einfluss der Medikamente auf die Assemblierung bakterieller Zytoskelettproteine kann dann mit Bildanalysewerkzeugen und Plug-ins in ImageJ oder Fidschi quantifiziert werden, wie bereits für SaFtsZ17 und EcMreB21 berichtet. Die automatisierte Bildaufnahme im 96-Well-Plattenformat und die Implementierung von benutzerdefinierten Makros und Skripten für die Bildverarbeitung können die Bildgebungszeit und die Quantifizierung der Wirkung der Medikamente beschleunigen. Unter Verwendung der einzelligen eukaryotischen Hefe S. pombe als Wirtssystem schlagen wir vor, dass ein Screening mit mittlerem oder hohem Durchsatz auf kleine Moleküle, die auf die bakteriellen Zytoskelettproteine abzielen, erfolgreich durchgeführt werden kann, was schließlich zur Entdeckung neuer Antibiotika führt.

Abbildung 1: Schematische Darstellung der Verwendung von Spalthefezellen zum Screening nach Arzneimitteln, die auf den Zusammenbau der bakteriellen Zytoskelettproteine SaFtsZ oder EcMreB abzielen. FtsZ aus S. aureus und MreB aus E. coli wurden in den Hefeexpressionsvektor kloniert, wobei pREP42 einen GFP-Tag am C- bzw. N-Terminus aufweist und für die phänotypische und medikamentöse Studie in S. pombe transformiert. Die Kulturen wurden 8 - 12 h lang gezüchtet. Anschließend wurden die Kulturen in 96-Well-Platten mit geeigneten Kontrollen subkultiviert und die verschiedenen Medikamente gescreent. Des Weiteren wurde die Platte bei 30 °C für 6 - 8 Stunden inkubiert, bis der OD600 0,5-0,6 erreichte, und die optische Dichte wurde mit einem Mikroplatten-Reader gemessen, um die Toxizität der Arzneimittel gegenüber Hefezellen zu beurteilen. Eine weitere 96-Well-Platte mit optisch klarem Glasboden wurde mit Concanavalin A vorbeschichtet, um Hefezellen anhaften zu können. Diese 96-Well-Platte wurde für die Visualisierung und Bildaufnahme mit einem Epifluoreszenzmikroskop verwendet. Die erhaltenen Bilder wurden anschließend analysiert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 2: Schematische Darstellung der Bilderfassungssoftware für die automatisierte Bildgebung einer 96-Well-Platte. Mit dem Navigator in der Bilderfassungssoftware wurde eine 96-Well-Platte durch Markieren der Kanten ausgerichtet. Well-Coverage-Parameter wie die Anzahl der Bilder, die von jedem Well aufgenommen werden müssen, und seine Position (zufällig oder von der Mitte des Wells) wurden wie gewünscht ausgewählt. Schließlich werden Bildparameter wie der zu verwendende Filtersatz (DIC und FITC-Filter; Ex 475/28 nm und Em 525/48 nm) wurden die prozentuale Intensität des Beleuchtungslichts, der Autofokus und die Belichtungszeit für die Bildaufnahme eingestellt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 3: Visualisierung der Wirkung von PC190723- und A22-Wirkstoffen auf SaFtsZ-GFP, exprimiert in S. pombe. S. pombe-Kultur , die SaFtsZ-GFP exprimiert, wurde in Abwesenheit von Thiamin für 8 - 9 h bei 30 °C vor DMSO und medikamentöser Behandlung gezüchtet. Die Kultur wurde in einer 96-Well-Platte für 7 - 9 h bei 30 °C in Gegenwart oder Abwesenheit der Medikamente weiter gezüchtet. (A) Bei der DMSO-Kontrolle, bei der eine äquivalente Menge DMSO zugesetzt wurde, wiesen die Zellen einige polymere Strukturen auf. (B) In Gegenwart von PC190723 (56,2 μM) exprimiert SaFtsZ Hefezellen, die eine beträchtliche Zunahme der polymeren Strukturen gegenüber der DMSO-Kontrolle aufweisen. (C) Der MreB-Inhibitor A22 (72,6 μM) hatte keinen Einfluss auf die SaFtsZ-GFP-Strukturen. (D) Für die Assemblierung von SaFtsZ-GFP waren längere Stunden der Proteinexpression in Abwesenheit von PC190723 erforderlich, und daher wiesen Kontrollkulturen, die 12 - 15 h nach der Subkultivierung in einer 96-Well-Platte, die DMSO enthielt, bei 30 °C gezüchtet wurden, ebenfalls FtsZ-Polymere auf. Der Maßstabsbalken beträgt 5 μm. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 4: Visualisierung der Wirkung von PC190723- und A22-Wirkstoffen auf GFP-EcMreB, exprimiert in S. pombe. S. pombe-Kultur , die GFP-EcMreB exprimiert, wurde in Abwesenheit von Thiamin für 9 - 11 h bei 30 °C gezüchtet, bevor DMSO oder die Medikamente (A22 oder PC190723) hinzugefügt wurden. Die Kultur wurde in einer 96-Well-Platte für 8 - 10 h bei 30 °C mit und ohne Medikamente als Kontrolle weiter gezüchtet. (A) In Kulturen, in denen eine äquivalente Menge DMSO als Kontrolle zugesetzt wurde, wiesen die Zellen lineare Filamente von EcMreB auf, die entlang der Längsachse der Hefezellen ausgerichtet waren. (B) Die Assemblierung von GFP-EcMreB wurde in Kulturen, die mit PC190723 (56,2 μM) behandelt wurden, nicht beeinflusst. (C) Das kleine Molekül A22 (72,6 μM), ein bekannter Inhibitor der MreB-Polymerisation, verhinderte den Zusammenbau von GFP-EcMreB in Spalthefezellen. Der Maßstabsbalken beträgt 5 μm. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Tabelle 1: In dieser Studie verwendete Stämme und Plasmide. Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.
Tabelle 2: Zusammensetzung der in dieser Studie verwendeten Medien und Puffer. Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.