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In questo lavoro, l'enumerazione temporale diretta della produzione di fagi da una coltura di lisogeno PAO1 LESΦ2 coltivata in condizioni non inducenti è stata utilizzata per determinare l'impatto dell'induzione spontanea di LESΦ2. La densità dei fagi era al suo punto più basso con una media di ~2,61 x 106 unità formanti placca (PFU)·mL−1 2 h dopo la subcoltura in terreno fresco durante la prima fase esponenziale di crescita, suggerendo che la lisogenia era lo stato dominante. Il titolo LESΦ2 è aumentato rapidamente fino a una media di ~2,4 x 108 PFU·mL−1 entro 4 ore e ha raggiunto la massima densità dopo 6 ore (media di ~5,83 x 109 PFU·mL−1; Figura 4).
Un'induzione spontanea minima è stata osservata durante la fase logaritmica iniziale della crescita del lisogeno (dopo 2 ore). Tuttavia, la presenza misurabile di fagi nel terreno di coltura era il risultato di molti eventi precedenti, tra cui i seguenti: l'impacchettamento degli acidi nucleici in teste proteiche, l'assemblaggio di proteine in particelle fagiche e l'espressione di geni fagici tardivi, geni fagici in stadio intermedio e geni fagici regolatori precoci. Era importante catturare le cellule infette prima dell'espressione degli eventi di replicazione associati ai fagi; Quindi, 90 min è stato scelto per far crescere la coltura prima dell'induzione. Per catturare il profilo di espressione genica della PAO1, i campioni di lisogeno LESΦ2 da una coltura sono stati raccolti prima e dopo l'induzione per un periodo di 90 minuti, come indicato nel punto 3.4. Questo lasso di tempo di 90 minuti è ben prima che alti livelli di induzione spontanea del profago residente vengano rilevati dal test della placca dal punto 2.3.2. Poiché la densità delle cellule batteriche era bassa durante la crescita esponenziale iniziale, i volumi di coltura sono stati scalati fino a 800 mL per garantire un ampio materiale per gli studi di espressione genica. I campioni sono stati raccolti dalla coltura non indotta e dalle colture indotte ogni 10 minuti e l'RNA è stato estratto per mappare il profilo di espressione dei marcatori chiave per la lisogenia e la replicazione litica durante la crescita batterica. L'RNA totale è stato purificato e convalidato per l'assenza di DNA genomico utilizzando saggi qPCR mirati al gene rRNA 16S (fase 6.1). I campioni che hanno raggiunto un RIN ≥ 9 hanno superato il controllo di qualità e sono stati convertiti in cDNA.
Il genoma LESΦ2 annotato è stato esaminato per identificare i geni che sono ben noti nei cicli di replicazione lisogenica e litica dei fagi temperati. Questi geni identificati sono stati poi utilizzati per convalidare la qRT-PCR per il profilo di espressione dei geni a ciclo ristretto del lisogeno e dei geni associati al ciclo litico da colture indotte e non indotte. Abbiamo quantificato il numero assoluto di copie del DNA e condotto un test di Wilcoxon signed-rank utilizzando R36 per confrontare i livelli di espressione in colture non indotte e indotte (Figura 5). È stato osservato un marcato aumento dell'espressione del gene cro (un marcatore precoce di replicazione litica) da ~ 2,31 x 109 copie in colture non indotte a ~ 3,02 x 1011 copie 30 minuti dopo l'induzione (test di Wilcoxon signed-rank: p < 0,01). Allo stesso modo, le proteine O e le proteine P, che sono marcatori di fase intermedia della replicazione litica (e si prevede che siano coinvolte nella replicazione del genoma del fago), hanno anche mostrato una significativa sovraregolazione da ~ 1,74 x 108 a ~ 1,25 x 10 10 copie (test di Wilcoxon signed-rank: p < 0,01) e da ~ 6,05 x 102 a ~ 5,68 x10 5 copie (test di Wilcoxon signed-rank: p < 0,01), rispettivamente. Infine, i geni strutturali associati alla coda sono stati utilizzati come marcatori tardivi del ciclo di replicazione litica. Ancora una volta, abbiamo osservato un aumento significativo dell'espressione da ~ 2,31 x 106 copie in colture non indotte a ~ 4,38 x 108 copie 30 minuti dopo l'induzione (test di Wilcoxon signed-rank: p < 0,01). Pertanto, i dati quantitativi della RT-PCR hanno confermato che l'espressione genica di geni marcatori ben consolidati per la replicazione litica ha seguito la tendenza prevista, con i marcatori precoci, medi e tardivi che hanno mostrato un'espressione differenziale multipla nell'ordine previsto (Figura 5). Poiché l'espressione dei marcatori per la replicazione litica è stata sovraregolata 30 minuti dopo il recupero, questo è considerato un punto temporale rappresentativo appropriato per lo studio del panorama trascrittomico dei fagi temperati attivi e dei loro ospiti batterici durante il ciclo litico.
Abbiamo osservato una certa espressione di geni litici in condizioni non indotte, confermando che si verifica sempre una certa induzione spontanea, anche in colture ottimizzate in cui i numeri di lisogeni sono rappresentati con il più alto rapporto tra CFU e PFU rilasciata nella fase logaritmica iniziale. Ciò significa che ci sarà sempre un certo livello di "rumore" nei dati di trascrittomica, il che rafforza l'importanza di controlli accuratamente preparati, comprese le colture indotte e non indotte. La scelta appropriata dei geni di controllo interno per determinare i cambiamenti di espressione si basa sull'attento esame dei dati trascrittomici per identificare i geni che sono espressi allo stesso livello sia nei campioni non indotti che in quelli indotti. I nostri risultati preliminari suggeriscono che rpoD era il gene di controllo più affidabile testato e aveva l'espressione più stabile (~1,71 x 10 5 copie prima dell'induzione e ~3,33 x 105 copie 30 minuti dopo l'induzione; Test di Wilcoxon con segno: p = 0,3594) rispetto ai geni 16S rRNA o proC (Figura 5). La variabilità dell'espressione dei controlli interni ha portato alla misurazione del numero assoluto di trascrizioni. L'esame futuro dei dati trascrittomici supporterà la scelta di appropriati controlli interni per un'ulteriore convalida.
Il gene cI è stato utilizzato nel nostro esercizio di profilazione genica, in quanto è un marcatore ben noto di lisogenia. Rispetto ai marcatori per la replicazione litica, l'espressione del gene cI era relativamente stabile (Figura 5), ma il numero di copie di questo gene era rassicurante nelle colture non indotte rispetto a quelle dei marcatori per la replicazione litica. Questi dati sono in accordo con i bassi numeri di PFU negli stessi campioni, confermando così che un'elevata espressione del repressore era associata a livelli più bassi di produzione di fagi. I dati qui riportati dimostrano che l'espressione del trascritto cI per questo particolare fago non è significativamente sottoregolata dopo l'induzione, come si vede nei fagi Stx11,17. L'attività del repressore è normalmente controllata sia a livello trascrizionale che post-traduzionale, quindi il gene repressore può essere trascritto, ma la proteina risultante è immediatamente soggetta ad autoclivaggio. Sono necessarie ulteriori sperimentazioni per convalidare i controlli trascrizionali e post-traduzionali. Inoltre, dalla nostra curva standard, il limite minimo di rilevamento della qPCR sembra essere ~102 copie.
Insieme, i nostri risultati dei saggi di placca e qRT-PCR convalidano la nostra strategia per la coltura e la preparazione del campione di RNA per generare un input ben controllato per gli esperimenti di RNA-Seq. Le colture non indotte nella fase esponenziale precoce hanno mostrato bassi livelli di induzione spontanea e di espressione genica litica, suggerendo la dominanza della lisogenia. Al contrario, le colture isolate 30 minuti dopo l'induzione hanno mostrato aumenti significativi nell'espressione dei geni marcatori che indicano la dominanza della replicazione litica.

Figura 1: Il protocollo per la creazione dell'host indicatore resistente alla rifampicina (creato con BioRender.com). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 2: Il disegno sperimentale per l'enumerazione della PFU e della CFU di un lisogeno dello stesso campione. (Creato con BioRender.com) Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 3: Il disegno sperimentale per il campionamento di colture indotte e non indotte per l'isolamento dell'RNA. (Creato con BioRender.com) Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 4: Enumerazione temporale dell'induzione spontanea. Enumerazione temporale della produzione spontanea di profago LES utilizzando la PFU del lisogeno PAO1 Φ2 con la CFU concomitante, n = 8 (due repliche biologiche e quattro repliche tecniche); Le barre di errore rappresentano la deviazione standard. I punti rosso scuro indicano CFU·mL−1 in LB; i punti blu scuro indicano PFU·mL−1 in LB. Il rilascio spontaneo del fago infettivo φ2 da parte dei lisogeni è al livello più basso misurabile a 2 ore dopo l'inoculazione. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 5: Numero assoluto di copie dei geni marcatori bersaglio. Il numero assoluto di copie dei geni marcatori fagici conferma i modelli di espressione previsti, derivati utilizzando la RT-qPCR, di geni che dovrebbero svolgere ruoli importanti nella lisogenia e nei cicli litici. I punti rappresentano sia tre repliche biologiche che tre repliche tecniche (n = 9). (A) Il riquadro rosso rappresenta il marcatore di lisogenia, cI; (B) il verde rappresenta il marcatore litico precoce, cro; (C,D) il blu rappresenta i marcatori litici medi, i geni di replicazione del DNA; (E) il magenta rappresenta il marcatore litico tardivo, i geni strutturali della coda; (F-H) il grigio rappresenta i marcatori dell'ospite che sono stati utilizzati come controlli interni e (I) il bianco rappresenta la DNA girasi B, che è stata utilizzata come controllo di induzione. Le linee orizzontali continue mostrano la mediana della distribuzione. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Tabella 1: Primer progettati in questo studio. Vengono fornite le sequenze di primer specifici per i geni marcatori e i controlli interni utilizzati in questo studio, insieme ai corrispondenti ID di accesso all'NCBI. Clicca qui per scaricare questa tabella.
Tabella 2: Efficienza dei primer utilizzati in questo studio calcolata utilizzando la curva standard qPCR. Clicca qui per scaricare questa tabella.