Zink-Ionen (Zn2+) sind ein essentieller Mikronährstoff und ein Standardbestandteil von mikrobiologischen Medien. Viele Bakterien ertragen jedoch eine Zn2+-Limitierung in der Umwelt, da Zn2+-limitierende Bedingungen weit verbreitet sind. soil1, marine2, und Nischen innerhalb der host3 sind oft Zn2+-begrenzt. Daher haben die meisten Bakterien Mechanismen entwickelt, um die Zn2+-Beschränkung zu überwinden und die zelluläre Funktion zu erhalten4. Systeme, die an der Aufrechterhaltung der Zn2+-Homöostase beteiligt sind, stehen unter strenger transkriptioneller Kontrolle5 und sind an der Abscheidung von Zn2+ unter Verwendung hochaffiner Zn2+-Importsysteme, der Mobilisierung zellulärer Zn2+-Reserven und dem Ersatz bestimmter Zn2+-bindender Proteine durch alternative Zn2+-unabhängige Paraloge6 beteiligt. Ein Beispiel für Letzteres sind Zn2+-unabhängige ribosomale Protein (RPs) Paraloge, die ein gemeinsames Merkmal von Zn2+-responsiven Regulons in Bakterien sind4. Diese hochdivergenten Zn2+-unabhängigen RPs unterscheiden sich von ihren Zn2+-bindenden Paralogen durch die Unterbrechung des Zn2+-bindenden CXXC-Motivs7. Mehr als die Hälfte der sequenzierten prokaryotischen Genome enthält mindestens ein Paar duplizierter RPs, wobei in vielen von ihnen ein RP Zn2+ bindet, während sein Paralog nicht class="xref">8 bindet. Während die C+/C-Notation (die das Vorhandensein/Fehlen des Cystein-reichen Zn2+-Bindungsmotivs anzeigt) häufig in Bezug auf diese paralogen RP-Paare verwendet wird7, wurden Zn2+-unabhängige RPs auch als alternative (Alt) Versionen der primären (Prim), Zn2+-bindenden RP-Paraloge beschrieben, da AltRPs als alternative RPs für die Ribosomenbiogenese im Zn2+ dienen-Eingeschränkter Zustand bei einigen Bakterien und es ist ein Schlüsselwort mit besserer Auffindbarkeit9,10,11.
Da die AltRP-Expression stark durch Zn2+ reguliert wird, ist es logisch anzunehmen, dass die AltRP-Expression angesichts der Zn2+-Limitierung funktionelle Redundanz zu Zn2+-abhängigen ribosomalen Proteinen bietet. In der Tat wurde diese Eigenschaft von AltRPs für das Modell-Bodenbakterium Bacillus subtilis demonstriert, bei dem das Wachstum während der Zn2+-Begrenzung durch Befreiung der Oberfläche PrimRP L31 und Ersatz durch das AltRP L31 gerettet wird12,13. Einige AltRPs sind jedoch paralog zu Kern-PrimRPs, z. B. S14, was bedeutet, dass ihr Einbau während der Ribosomenbiogenese erforderlich ist12,13. Der Wiederaufbau des Ribosoms mit AltRPs ist ein engagiertes, energieintensives Programm. Während diese Kern-AltRPs dazu dienen könnten, Zn2+ aus dem Ribosom zu befreien, ist es auch möglich, dass einige AltRPs in der Zn2+-begrenzten Umgebung eine zusätzliche Funktion entwickelt haben. Dies wird durch die Beobachtung unterstützt, dass AltRPs von ihren paralogen PrimRPs abweichen; Die Sequenzhomologie von AltRP-Genen ist bei Homologen in verschiedenen Spezies oft höher als bei der Zn2+-bindenden PrimRP-Gensequenz innerhalb derselben Spezies7,10. Da Gene, die für stark divergierende AltRPs kodieren, unter Zn2+-abhängiger transkriptioneller Kontrolle stehen, werden sie aus dem Selektionsdruck entfernt, der auf die streng regulierten und hochkonservierten ribosomalen Superoperonen ausgeübt wird14. Der entkoppelte Selektionsdruck auf die genetische Information, die für die ribosomale Maschinerie und die AltRPs kodiert, setzt diese RPs anderen Evolutionsverläufen aus als die homologen PrimRPs und könnte eine linienspezifische Evolution desselben AltRP in verschiedenen Bakterien ermöglichen10,15. Die weit verbreitete Existenz von AltRPs in Bakterien und die entkoppelte genetische Regulation dieser einzigartigen RPs wirft die interessante Frage auf, ob der Einbau von AltRPs in bakterielle Ribosomen AltRP-haltigen Ribosomen (Alt-Ribosomen) eine besondere Eigenschaft verleiht.
Mykobakterien sind eine ideale Gruppe von Bakterien, um die mechanistischen Eigenschaften von Alt-Ribosomen zu untersuchen. Erstens besitzen Mykobakterien ein hochkonserviertes AltRP-Operon, das vier Gene enthält, die für AltRPs kodieren: S14-2, S18-2, L28-2 und L33-28,9. Mykobakterielle AltRPs unterscheiden sich signifikant von ihren PrimRP-Paralogen; In allen vier PrimRP/AltRP-Paaren ist ein gegebenes AltRP-Gen über alle Mykobakterienarten hinweg ähnlicher als das PrimRP-Gen in derselben Spezies10. Die linienspezifische Evolution von AltRPs ist auch innerhalb von Mykobakterien offensichtlich, wie die AltRPs S18-2 und L28-2 in Mycobacterium tuberculosis und M. bovis zeigen, die einzigartige Sequenzen am C-Terminus enthalten, die in anderen Mykobakterien nicht vorhanden sind10. Zweitens enthält diese Gruppe hochgradig verwandter Bakterien nicht-pathogene und pathogene Mitglieder, die in verschiedenen Umgebungen leben, vom Boden (z. B. M. smegmatis) bis hin zu unzähligen Wirten: Mensch (z. B. M. tuberculosis), Rind (z. B. M. bovis), aquatisch (z. B. M. marinum) und Vogel (z. B. M. avium), um nur einige zu nennen. Die hochkonservierte Natur des altRP-Operons in Mykobakterien, die linienspezifische Evolution spezifischer AltRP-Gene und die sehr unterschiedlichen Umgebungen, in denen Mitglieder dieser Gruppe existieren, bieten eine einzigartige Gelegenheit, die konservierte und linienspezifische Evolution der AltRP-Funktion und der mechanistischen Eigenschaften von Alt-Ribosomen zu analysieren. Trotz der Häufigkeit von AltRPs in prokaryotischen Genomen wurde die Rolle von AltRPs und Alt-Ribosomen nur in wenigen Bakterien untersucht9,10,11,12,13,16,17,18,19. Die Etablierung eines standardisierten Systems mit spezifischen Metriken zur Validierung von Zn2+-limitierenden Wachstumsbedingungen in Mykobakterien würde die experimentellen Ergebnisse verbessern und das Verständnis von Alt-Ribosomen im Bereich der Ribosomenforschung voranbringen.
Zn2+ ist ein Mikronährstoff; daher tragen Spuren von Verunreinigungen von Zn2+ in Chemikalien und Wasser zur Bioverfügbarkeit von Zn2+ bei, auch wenn sie in der Medienvorbereitung weggelassen werden. Die Spurenmengen von Zn2+, die in Wasser oder Chemikalien vorhanden sind, können von Labor zu Labor drastisch variieren, wodurch das Ergebnis des Zn2+-begrenzenden Wachstums beeinflusst wird. Die empirische Quantifizierung des [Zn2+] in jeder unabhängigen Herstellung von Medien ist für die meisten Laboratorien, die routinemäßige Wachstumsassays durchführen, übermäßig aufwändig, aber ein Mechanismus zur Beseitigung der Möglichkeit einer Zn2+-Kontamination in Wachstumsmedien wäre an sich wertvoll. Zu diesem Zweck wird hier ein detailliertes Verfahren zur Herstellung eines chemisch definiertenZn2+-begrenzten Mediums (ZLM), von Wachstumsgefäßen und Samenkulturen für das Zn2+-limitierende Wachstum und die Alt-Ribosomenproduktion in M. smegmatis und M. tuberculosis vorgestellt. Wichtige morphogene Merkmale (Zelldichte, gemessen mit OD600, Zelllänge und Fluoreszenz des Coenzyms F420) nach dem Wachstum in ZLM werden verwendet, um zu überprüfen, ob die Zn2+-Limitierung erreicht wurde. Coenzym F420 ist ein Deazaflavin-Cofaktor, der eine wichtige Rolle beim Katabolismus und bei der Abwehr von oxidativem Stress bei Methanogenen und Mykobakterien spielt20,21. Wichtig ist, dass Mykobakterien autofluoreszierend sind, wenn sie bei 420 nm angeregt werden, da dieser Cofactor22 häufig vorhanden ist. Die molekulare Bindung zwischen [Zn2+] und der F420-Fluoreszenz ist noch nicht geklärt, aber die Verfolgung der F420-Fluoreszenz in Kulturen ist ein handhabler und zuverlässiger Bioindikator.
In M. smegmatis treten die Bioindikator-Phänotypen in den Wildtyp-Bakterien auf, aber eine Deletionsmutante, der das altRP-Operon fehlt, durchläuft nicht das gleiche morphogene Programm und kann als differentieller Bioindikator verwendet werden10. Obwohl M. tuberculosis während der Zn2+-Limitierung nicht dem gleichen morphogenen Programm wie M. smegmatis folgt, hat M. tuberculosis eine robuste und globale Reaktion auf Zn2+ Einschränkung und ein Schlüssel-Bioindikator-Phänotyp nach dieser Methode23. Das hier definierte System ermöglicht somit die Erzeugung von Prim- und Alt-Ribosomen unter den gleichen Wachstumsbedingungen (d.h. Zn2+-Limitierung), was die mechanistische Aufschlüsselung der Alt-Ribosomenfunktion und ihrer Rolle bei der Gestaltung der bakteriellen Physiologie erleichtert. Diese Wachstumsmethode wurde verwendet, um die Struktur aktiver Alt-Ribosomen aufzuklären und ihre translationale Aktivität in Wildtyp-M. smegmatis24 zu demonstrieren. Ein weiterer Beleg dafür, dass diese Wachstumsmethode und dieser Bioindikator-Phänotyp die biologische Funktionalität von AltRPs während der Zn2+-Limitierung unterstreicht, ist, dass die AltRP-Expression für dieZn 2+-abhängige Morphogenese erforderlich ist und einen tiefgreifenden Einfluss auf das Transkriptom und Proteom von Zn2+-limitiertem M. smegmatis10,25 hat. Die gleiche Methode, mit geringfügigen Änderungen in der Menge des Inokulums und der Inkubationszeit, wird verwendet, um Zn2+-begrenzte Kulturen von M. tuberculosis zu erzeugen9,23. Hier werden Protokolle und Bioindikator-Phänotypen für das Erreichen eines Zn2+-begrenzenden Wachstums sowohl bei M. smegmatis als auch bei M. tuberculosis detailliert beschrieben, wobei der Schwerpunkt auf M. smegmatis liegt, da dieses Bakterium empfindlicher auf Zn2+-Kontamination in den Medien reagiert und breiter zugänglich ist als der langsam wachsende Erreger.