박테리아는 산소와 철의 생체이용률이 다양한 숙주 조직에 서식하지만, 박테리아를 연구하는 대부분의 접근 방식은 공기가 풍부한 공기 매체를 사용합니다. 이 프로토콜은 다양한 철 농도와 산소 장력 하에서 인간 병원균 Yersinia pseudotuberculosis 를 배양하고 중요한 독성 인자인 Yersinia type III 분비 시스템의 활성을 정량화하는 방법을 설명합니다.
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방법 논문
박테리아는 산소와 철의 생체이용률이 다양한 숙주 조직에 서식하지만, 박테리아를 연구하는 대부분의 접근 방식은 공기가 풍부한 공기 매체를 사용합니다. 이 프로토콜은 다양한 철 농도와 산소 장력 하에서 인간 병원균 Yersinia pseudotuberculosis 를 배양하고 중요한 독성 인자인 Yersinia type III 분비 시스템의 활성을 정량화하는 방법을 설명합니다.
많은 그람 음성 병원체의 주요 독성 메커니즘은 세포독성 또는 면역조절 효과기 단백질을 숙주 세포로 전위시키는 바늘 모양의 부속물인 III형 분비 시스템(T3SS)입니다. T3SS는 세포 밖에서 접근할 수 있고 비병원성 박테리아가 거의 없기 때문에 항생제 발견 캠페인의 표적입니다. 최근 연구에 따르면 예르시니아 와 살모넬라균 의 T3SS는 포유류 감염 중에 발생하는 중요한 틈새 특이적 신호인 철과 산소에 반응하는 요인에 의해 조절됩니다. 여기에는 Yersinia pseudotuberculosis의 철 결핍 방법과 후속 무기 철의 선택적 보충이 설명되어 있습니다. 산소 가용성의 영향을 평가하기 위해 이 철분 결핍 과정은 호기성 및 혐기성 조건 모두에서 입증되었습니다. 마지막으로, 37°C의 포유류 숙주 온도에서 배양물을 배양하면 T3SS 발현이 유도되고 상등액으로 방출되는 효과기 단백질을 시각화하여 Yersinia T3SS 활성을 정량화할 수 있습니다. 여기에 자세히 설명된 단계는 철 결핍이 없는 경우 철 킬레이터를 사용하는 것보다 이점을 제공하며, 이는 아마도 효율적인 Yersinia 철 흡수 및 청소 시스템으로 인해 강력한 철 결핍을 유발하기에 충분하지 않습니다. 마찬가지로, 산 세척 실험실 유리 기구는 강력한 철 결핍을 유도하는 데 필수적인 잔류 철을 확실히 제거하기 위해 상세합니다. 또한, 킬레이트제를 사용하여 매체에서 잔류 철을 제거하고, 철이 없는 상태에서 여러 세대 동안 박테리아를 배양하여 박테리아 철 저장소를 고갈시키는 것으로 설명됩니다. 이 절차는 트리클로로아세트산 유도 단백질 침전, SDS-PAGE 및 은 염색의 표준 프로토콜을 통합하여 T3SS 활성을 측정할 수 있는 접근 가능한 방법을 보여줍니다. 이 절차는 Y. pseudotuberculosis에 최적화되어 있지만, 유사한 강력한 철분 흡수 시스템을 가진 병원체 연구를 위한 프레임워크를 제공합니다. 항생제 내성 시대에 이러한 방법은 숙주 관련 조건에서 T3SS를 표적으로 하는 항균 화합물의 효능을 평가하기 위해 확장될 수 있습니다.
Yersinia, Vibrio, Escherichia, Pseudomonas 및 Shigella와 같은 임상적으로 관련된 많은 그람 음성 병원체는 숙주 세포에 효과기 단백질을 주입하기 위해 유형 III 분비 시스템(T3SS)을 암호화합니다1. 많은 박테리아 종에서 T3SS는 엄격한 규제 통제를 받고 있습니다2. 예를 들어, Yersinia T3SS effector 단백질을 표적 숙주 세포로 전좌하는 것은 숙주 방어 메커니즘을 파괴하고 숙주 조직의 박테리아 집락화를 가능하게 하는 데 중요합니다. 그러나 Yersinia T3SS 활성은 대사적으로 부담이 되며 숙주 면역 수용체의 인식을 유발할 수 있습니다3. 따라서 특정 환경 신호를 감지하는 조절자는 많은 박테리아 종에서 T3SS 유전자의 발현을 제어합니다. 예르시니아(Yersinia)와 같은 병원체는 감염 주기 동안 중요한 독성 인자의 발현에 영향을 미치는 환경 변화를 경험하기 때문에 박테리아 병원체가 차지하는 숙주 틈새의 두드러진 특징을 모방하는 실험실 조건을 개발하는 것이 중요합니다. 구체적으로, 산소, 장력 및 철 가용성은 시공간 방식으로 다양한 조직 부위에 따라 다르며 T3SS 4,5,6과 같은 독성 유전자의 발현에 영향을 미칩니다. 따라서 이 방법의 목표는 산소와 철이 Yersinia T3SS의 발현에 어떤 영향을 미치는지 평가하는 것입니다. 이를 통해 숙주-병원체 상호 작용의 역학에 대한 통찰력을 얻을 수 있습니다.
여기에 설명된 방법은 Yersinia pseudotuberculosis를 호기성 및 혐기성으로 배양하는 방법과 호기성 또는 무산소 성장 중에 Yersinia 철 저장을 고갈시키는 방법을 자세히 설명합니다. 이러한 다양한 조건에서 박테리아를 성공적으로 배양하는 것과 관련하여 여기에서 강조하는 몇 가지 중요한 고려 사항이 있습니다. 첫째, 혐기성 배양에는 추가적인 포도당 보충이 필요하며, 이는 배지 레시피에 명시된 변형입니다. 둘째, Y. pseudotuberculosis는 환경에서 철을 강력하게 제거할 수 있는 시데로포어(siderophores) 및 기타 철 흡수 시스템을 사용하기 때문에 배양 배지와 실험실 유리 기구에 철이 가능한 한 없는지 확인하는 데 특별한 주의를 기울입니다7. 이전 연구에서는 디피리딜(dipyridyl)과 같은 철 킬레이트제를 사용하여 철분 결핍을 모방하기 위해 풍부한 배지 박테리아 배양에서 철을 고갈시켰습니다 8,9. 그러나 철분 고갈을 유발하기 위해 Yersinia 철 저장고를 고갈시키려면 유리 제품 및 매체에 남아 있는 철을 제거하고 철이 없는 상태에서 장기간 성장해야 합니다. 이 프로토콜은 잔류 철을 제거하기 위해 유리 제품과 킬레이트 매체를 산성 세척하는 방법과 철분 결핍을 보장하기 위해 여러 세대에 걸쳐 박테리아를 배양하는 방법을 자세히 설명합니다. 철 결핍은 yfeA 및 bfd에서 입증된 바와 같이 조건 전반에 걸쳐 잘 특성화된 철 반응 유전자의 상대적 전사 수준을 측정함으로써 보장될 수 있습니다.
이 프로토콜의 정점은 배양 상등액을 트리클로로아세트산(TCA)으로 처리하고 SDS-PAGE를 통해 분비된 단백질을 시각화하여 이러한 각 조건에서 분비된 T3SS effector 단백질을 침전시키는 방법을 보여줍니다. 마지막으로, 은 염색을 통해 분비된 단백질을 시각화하고 Yersinia outer proteins(Yops)라고 하는 T3SS effector 단백질의 상대적 수준을 정량화하여 상대적인 T3SS 활성을 평가합니다10.
T3SS 활성 분석은 일반적으로 특정 항체를 사용하여 배양 상등액에서 T3SS effector 단백질 수준을 검출합니다. 그러나 T3SS effector 단백질에 대한 웨스턴 블로팅 항체는 상업적으로 이용 가능하지 않은 경우가 많습니다. 따라서 이 방법에서 T3SS 활성의 최종 시각화에는 특정 항체가 필요하지 않고 대신 모든 분비된 단백질을 시각화할 수 있는 은 염색을 활용할 수 있도록 특별한 주의를 기울였습니다. 이 방법은 Y. pseudotuberculosis에 특별히 맞춤화되고 최적화되었지만, 정확한 배지 조건과 배양 시간은 다를 수 있지만 다른 박테리아 종에도 적용할 수 있습니다.
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시약, 배지 구성, 프라이머 서열 및 장비에 대한 자세한 내용은 재료 표에 나열되어 있습니다. 그림 1 은 전체 실험 워크플로우를 보여줍니다.
1. 산에 의하여 세척된 유리 그릇 및 킬레이트화된 M9 매체의 준비
알림: 시작하기 전에 사용할 정확한 시약과 레시피에 대한 재료 섹션을 참조하십시오. M9 배지는 Cheng et al.11에서 Yersinia T3SS 분석에 처음 사용되었습니다.
2. 다양한 철 수치와 산소 장력에서 Y. pseudotuberculosis 배양
3. T3SS 효과기 단백질의 트리클로로아세트산(TCA) 침전
4. T3SS effector 단백질을 시각화하기 위한 SDS-PAGE 및 은 염색
5. 상대적 T3SS 활성 정량화
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이 방법을 사용하면 관심 있는 참조 조건과 관련된 다양한 조건에서 분비된 Yops를 상대적으로 비교할 수 있습니다. 전체 실험 워크플로우는 그림 1에 나와 있습니다. 표 1은 각 배양 조건의 인스턴스에서 세포 배양 정규화가 일반적으로 어떻게 발생하는지와 각 상층액에 추가되는 TCA의 부피를 나타냅니다. 여기서, 대표적인 결과는 야생형(WT) Y. pseudotuberculosis IP2666pIB1과 두 개의 선천성 돌연변이인 ΔyscNU 및 ΔyopE를 사용하여 표시되었습니다. ΔyopE 돌연변이는 YopE가 결핍된 대조군으로 사용되는 반면, ΔyscNU 돌연변이는 기능적 T3SS13,14를 조립할 수 없기 때문에 완전한 T3SS 음성 대조군으로 사용됩니다. 분...
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T3SS는 많은 병원성 박테리아에서 중요한 독성 인자입니다. 따라서 그 조절을 연구하기 위한 실험실 기술을 개발하는 것은 발병 기전을 이해하고 잠재적인 치료법을 개발하는 데 중요합니다1. 철과 산소는 T3SS 발현을 조절하기 위해 박테리아 병원체가 감지하는 중요한 숙주 신호로 알려져 있습니다5; 따라서 이 방법은 철분 결핍 또는 충만과 함께 혐기성 또는 호기성 조건에서 Y. pseudotuberculosis 를 배양하기 위한 전략을 제시하고, 분비된 YopE T3SS effector 단백질 수준의 상대적인 양을 평가하여 이러한 다양한 조건에서 상대적인 T3SS 활성을 정량화하는 방법을 보여줍니다.
이 실험의 워크플로는 비교적 간단하지만 결과를 최적화하기 위해 면밀히 고려해야 할 몇 가지 사항이 있습니다. TCA 매개 단...
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저자는 경쟁하는 재정적 이해관계가 없다고 선언합니다.
BioRender.com 를 사용하여 만든 그래픽 이미지. 이 연구는 미국 국립보건원(National Institutes of Health, www.NIH.gov) 보조금 R01AI119082의 지원을 받았습니다.
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