Dans ce travail, le dénombrement temporel direct de la production de phages à partir d’une culture de lysogène PAO1 LESΦ2 cultivée dans des conditions non inductrices a été utilisé pour déterminer l’impact de l’induction spontanée de LESΦ2. La densité de phages était à son point le plus bas avec une moyenne de ~2,61 x 106 unités formant des plaques (PFU)·mL−1 2 h après la sous-culture en milieu frais au début de la phase exponentielle de croissance, ce qui suggère que la lysogénie était l’état dominant. Le titre LESΦ2 a rapidement augmenté pour atteindre une moyenne de ~2,4 x 108 PFU·mL−1 en 4 h et a atteint la densité la plus élevée après 6 h (moyenne de ~5,83 x 109 PFU·mL−1 ; Graphique 4).
Une induction spontanée minimale a été observée au cours de la phase logarithmique précoce de la croissance du lysogène (après 2 h). Cependant, la présence mesurable de phages dans le milieu de culture était le résultat de nombreux événements antérieurs, y compris les suivants : l’emballage des acides nucléiques dans les têtes de protéines, l’assemblage des protéines en particules de phages et l’expression des gènes de phages tardifs, de gènes de phages de stade intermédiaire et de gènes de phages de régulation précoce. Il était important de détecter les cellules infectées avant l’expression des événements de réplication associés aux phages ; Par conséquent, 90 min a été choisi pour permettre à la culture de se développer avant l’induction. Pour capturer le profil d’expression génique de PAO1, des échantillons de lysogène LESΦ2 provenant d’une culture ont été prélevés avant et après l’induction sur une période de 90 minutes, comme mentionné à l’étape 3.4. Ce délai de 90 minutes est bien avant que des niveaux élevés d’induction spontanée du prophage résident ne soient détectés par le test de plaque de l’étape 2.3.2. Étant donné que la densité de cellules bactériennes était faible au début de la croissance exponentielle, les volumes de culture ont été augmentés à 800 ml afin d’assurer un matériel suffisant pour les études d’expression génique. Les échantillons ont été prélevés à partir de la culture non induite et des cultures induites toutes les 10 minutes, et l’ARN a été extrait pour cartographier le profil d’expression des marqueurs clés de la lysogénie et de la réplication lytique au cours de la croissance bactérienne. L’ARN total a été purifié et validé pour l’absence d’ADN génomique à l’aide de tests qPCR ciblant le gène de l’ARNr 16S (étape 6.1). Les échantillons atteignant un RIN ≥ 9 ont passé le contrôle de qualité et ont été convertis en ADNc.
Le génome annoté de LESΦ2 a été examiné afin d’identifier des gènes bien connus dans les cycles de réplication lysogénique et lytique des phages tempérés. Ces gènes identifiés ont ensuite été utilisés pour valider la qRT-PCR pour le profilage d’expression des gènes restreints au cycle lysogène et associés au cycle lytique à partir de cultures induites et non induites. Nous avons quantifié le nombre absolu de copies d’ADN et effectué un test de Wilcoxon à l’aide de R36 pour comparer les niveaux d’expression dans les cultures non induites et induites (Figure 5). Une augmentation marquée de l’expression du gène cro (un marqueur précoce de la réplication lytique) de ~2,31 x 109 copies dans des cultures non induites à ~3,02 x10 11 copies 30 min après l’induction (test de Wilcoxon à rang signé : p < 0,01) a été observée. De même, les protéines O et les protéines P, qui sont des marqueurs de stade intermédiaire de la réplication lytique (et dont on prédit qu’elles sont impliquées dans la réplication du génome des phages), ont également montré une régulation positive significative de ~1,74 x 108 à ~1,25 x 10 10 copies (test de Wilcoxon à rang signé : p < 0,01) et de ~ 6,05 x 102 à ~5,68 x10 5 copies (test de Wilcoxon à rang signé : p < 0,01), respectivement. Enfin, les gènes structuraux associés à la queue ont été utilisés comme marqueurs tardifs du cycle de réplication lytique. Encore une fois, nous avons observé une augmentation significative de l’expression de ~2,31 x 106 copies dans des cultures non induites à ~4,38 x 108 copies 30 min après l’induction (test de Wilcoxon à rang signé : p < 0,01). Ainsi, les données quantitatives de RT-PCR ont confirmé que l’expression génique des gènes marqueurs bien établis pour la réplication lytique suivait la tendance attendue, les marqueurs précoces, moyens et tardifs montrant une expression différentielle multiple dans l’ordre prédit (Figure 5). Étant donné que l’expression des marqueurs de la réplication lytique a été régulée à la hausse 30 minutes après la récupération, il s’agit d’un point temporel représentatif approprié pour l’étude du paysage transcriptomique des phages tempérés actifs et de leurs hôtes bactériens au cours du cycle lytique.
Nous avons observé une certaine expression de gènes lytiques dans des conditions non induites, confirmant qu’une certaine induction spontanée se produit toujours, même dans les cultures optimisées dans lesquelles le nombre de lysogènes est représenté avec le rapport le plus élevé d’UFC par rapport à l’UFP libérée dans la phase logarithmique précoce. Cela signifie qu’il y aura toujours un certain niveau de « bruit » dans les données transcriptomiques, ce qui renforce l’importance des contrôles soigneusement préparés, y compris les cultures induites et non induites. Le choix approprié des gènes de contrôle interne pour déterminer les changements de pli dans l’expression repose sur un examen minutieux des données transcriptomiques pour identifier les gènes qui sont exprimés au même niveau dans les échantillons non induits et induits. Nos résultats préliminaires suggèrent que rpoD était le gène de contrôle le plus fiable testé et avait l’expression la plus stable (~1,71 x10 5 copies avant induction et ~3,33 x 105 copies 30 min après l’induction ; Test de Wilcoxon à rang signé : p = 0,3594) par rapport aux gènes de l’ARNr 16S ou du proC (Figure 5). La variabilité de l’expression des contrôles internes a conduit à la mesure du nombre absolu de transcriptions. L’examen futur des données transcriptomiques appuiera le choix de contrôles internes appropriés pour une validation ultérieure.
Le gène cI a été utilisé dans notre exercice de profilage génétique, car il s’agit d’un marqueur bien reconnu de la lysogénie. Par rapport aux marqueurs de la réplication lytique, l’expression du gène cI était relativement stable (Figure 5), mais le nombre de copies de ce gène était rassurant dans les cultures non induites par rapport à celles des marqueurs de la réplication lytique. Ces données sont en accord avec les faibles nombres de PFU dans les mêmes échantillons, confirmant ainsi qu’une expression élevée des répresseurs était associée à des niveaux plus faibles de production de phages. Les données rapportées ici démontrent que l’expression du transcrit cI pour ce phage particulier n’est pas significativement régulée à la baisse après l’induction, comme on le voit dans les phages Stx11,17. L’activité répressive est normalement contrôlée à la fois au niveau transcriptionnel et post-traductionnel, de sorte que le gène répresseur peut être transcrit, mais la protéine résultante est immédiatement soumise à un autoclivage. D’autres expérimentations sont nécessaires pour valider les contrôles transcriptionnels et post-traductionnels. De plus, d’après notre courbe standard, la limite minimale de détection de la qPCR semble être de ~102 copies.
Ensemble, les résultats obtenus à partir des tests de plaque et de qRT-PCR valident notre stratégie de culture et de préparation d’échantillons d’ARN afin de générer une entrée bien contrôlée pour les expériences de séquençage de l’ARN. Les cultures non induites de la phase exponentielle précoce ont montré de faibles niveaux d’induction spontanée et d’expression des gènes lytiques, suggérant la dominance de la lysogénie. En revanche, les cultures isolées 30 min après l’induction ont montré des augmentations significatives de l’expression des gènes marqueurs qui indiquent la dominance de la réplication lytique.

Figure 1 : Protocole de création de l’hôte indicateur résistant à la rifampicine (créé avec BioRender.com). Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 2 : Plan expérimental pour le dénombrement de l’UFP et de l’UFC d’un lysogène provenant du même échantillon. (Créé avec BioRender.com) Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 3 : Plan expérimental pour l’échantillonnage de cultures induites et non induites pour l’isolement de l’ARN. (Créé avec BioRender.com) Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 4 : Dénombrement temporel de l’induction spontanée. Dénombrement temporel de la production spontanée de prophages LES à l’aide de l’UFP du lysogène PAO1 Φ2 avec l’UFC concomitante, n = 8 (deux répétitions biologiques et quatre répétitions techniques) ; Les barres d’erreur représentent l’écart-type. Les points rouge foncé indiquent le CFU·mL−1 en LB ; les points bleu foncé indiquent le PFU·mL−1 en LB. La libération spontanée du phage infectieux φ2 par les lysogènes est au niveau mesurable le plus bas 2 h après l’inoculation. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 5 : Nombre absolu de copies des gènes marqueurs cibles. Le nombre absolu de copies des gènes marqueurs de phages confirme les profils d’expression prédits, obtenus à l’aide de la RT-qPCR, des gènes susceptibles de jouer un rôle important dans la lysogénie et les cycles lytiques. Les points représentent à la fois trois répétitions biologiques et trois répétitions techniques (n = 9). (UNE) La case rouge représente le marqueur de lysogénie, cI ; (B) le vert représente le marqueur lytique précoce, cro ; (C,D) le bleu représente les marqueurs lytiques moyens, les gènes de réplication de l’ADN ; (E) le magenta représente le marqueur lytique tardif, les gènes structuraux de la queue ; (F-H) le gris représente les marqueurs de l’hôte qui ont été utilisés comme témoins internes, et (I) le blanc représente l’ADN gyrase B, qui a été utilisé comme témoin d’induction. Les lignes horizontales pleines indiquent la médiane de la distribution. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Tableau 1 : Amorces conçues dans le cadre de cette étude. Les séquences d’amorces spécifiques pour les gènes marqueurs et les contrôles internes utilisés dans cette étude sont fournies, ainsi que leurs identifiants d’accession NCBI correspondants. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce tableau.
Tableau 2 : Efficacité des amorces utilisées dans cette étude calculée à l’aide de la courbe standard qPCR. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce tableau.