Summary

Staphylococcus aureus Vækst med humant hæmoglobin som en jernkilde

Published: February 07, 2013
doi:

Summary

Her beskriver vi en vækst assay for<em> Staphylococcus aureus</em> Med hæmoglobin som den eneste kilde til tilgængelig næringsstof jern. Denne analyse fastslår rolle bakterielle faktorer involveret i hæmoglobin-afledt jern erhvervelse.

Abstract

S. aureus er en patogen bakterie, der kræver jern for at udføre vitale metaboliske funktioner og forårsage sygdom. Den mest rigelige reservoir af jern inden i den humane vært, er hæm, som er cofaktoren for hæmoglobin. At erhverve jern fra hæmoglobin, S. aureus anvender et omfattende system kendt som jernreguleret overflade determinant (ISD) system 1. Komponenter i Isd system først binder vært hæmoglobin, derefter udtrække og importere hæm, og endelig frigøre jern fra hæm i den bakterielle cytoplasma 2,3. Denne vej er blevet dissekeret gennem talrige in vitro-studier 4-9. Endvidere har bidrag Isd system til infektion gentagne gange blevet påvist i musemodeller 8,10-14. Etablering af bidrag Isd system til hæmoglobin-afledt jern erhvervelse og vækst har vist sig at være mere udfordrende. Vækstassays med hæmoglobin som eneste jernkilde er komplicerede by ustabiliteten af ​​kommercielt tilgængelige hæmoglobin, kontaminerende frit jern i vækstmediet, og toksiciteten forbundet med jernchelatorer. Her præsenterer vi en metode, der overvinder disse begrænsninger. Højkvalitets hæmoglobin fremstilles ud fra frisk blod og lagres i flydende nitrogen. Renset hæmoglobin er suppleret ind i jern-nedbryder medium efterligne jern-fattige miljø stødt af patogener inde i hvirveldyr vært. Ved at udsulte S. aureus af frit jern og udvides med et minimalt manipuleret form for hæmoglobin vi inducere vækst på en måde, der er helt afhængig af evnen til at binde hæmoglobin, ekstrakt hæm, passerer hæm gennem den bakterielle cellekappe og nedbrydes hem i cytoplasmaet. Denne analyse vil være nyttig for forskere, der søger at belyse mekanismerne i hemoglobin-/heme-derived jern opkøb i S. aureus og muligvis andre bakterielle patogener.

Protocol

1. Oprensning af hæmoglobin fra frisk blod Erhverve frisk humant blod tilsat en antikoagulant. Holde blodet på is eller ved 4 ° C under hele oprensningen. Centrifugeres blodet i 20 min ved 1.500 x g.. De røde blodlegemer (RBC) vil være i bunden af ​​røret. Forsigtigt sug supernatanten og forsigtigt pellet resuspenderes i iskold 0,9% (vægt / volumen) NaCI-opløsning. Der centrifugeres og vaskes 3 gange. Pellet resuspenderes i 1 volumen iskold 10 mM Tris-HCI (pH 8,0). Dette vil in…

Representative Results

Vi har renset humant hæmoglobin fra hæmolysat med HPLC (protokol trin 1.7). Figur 1 viser optagede absorbansen af eluatet ved 280 og 410 nm bølgelængder. Fraktion 5 blev opsamlet og andre fraktioner blev bortkastet. Udbytter af 5-15 mg hæmoglobin pr milliliter af eluatet typisk opnået. Oprenset hæmoglobin blev analyseret ved SDS-PAGE in duplo, og gelerne blev enten farvet for proteiner eller overført til nitrocellulose og immunblottet (protokol trin 1,10, figur 2). <p class=…

Discussion

Jern er et vigtigt næringsstof kræves af organismer fra alle riger af livet 15. I hvirveldyr, er jern sekvestreret at undgå toksicitet forårsaget af dette element. Denne beslaglæggelse også skjuler jern fra invaderende mikrober i en proces kendt som ernæringsmæssig immunitet 16. Som reaktion herpå har patogener udviklet strategier, der omgår ernæringsmæssig immunitet. Én sådan mekanisme er baseret på hæmoglobin, der er den mest rigeligt forekommende kilde til jern i værten 17….

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Denne forskning blev støttet af US Public Health Service tilskud AI69233 og AI073843 fra National Institute of Allergy og smitsomme sygdomme. EPS er et Burroughs Wellcome Fellow i patogenesen af ​​infektionssygdomme. KPH blev finansieret af den Cellulær og Molekylær Mikrobiologi uddannelsespulje 5 T32 A107611-10.

Materials

Name of Reagent/Material Company Catalogue Number Comments
HPLC anion exchange column Varian PL1551-3802
Drabkin’s reagent Sigma D5941-6VL
Hemoglobin standard Pointe Scientific H7506-STD
RPMI HyClone SH30011.02
Chelex 100 sodium form Sigma C7901
EDDHA LGC Standards GmbH ANC 001
Hemoglobin a antibody Santa Cruz Biotechnology, Inc SC-21005
Tryptic soy agar BD 236920

References

  1. Mazmanian, S., et al. Passage of heme-iron across the envelope of Staphylococcus aureus. Science. 299, 906-909 (2003).
  2. Pishchany, G., Skaar, E. P. Taste for blood: hemoglobin as a nutrient source for pathogens. PLOS Pathogens. 8, e1002535 (2012).
  3. Haley, K. P., Skaar, E. P. A battle for iron: host sequestration and Staphylococcus aureus acquisition. Microbes and infection. Institut Pasteur. 14, 217-227 (2012).
  4. Krishna Kumar, K., et al. Structural basis for hemoglobin capture by Staphylococcus aureus cell-surface protein. IsdH. The Journal of biological chemistry. 286, 38439-38447 (2011).
  5. Grigg, J. C., Mao, C. X., Murphy, M. E. Iron-coordinating tyrosine is a key determinant of NEAT domain heme transfer. Journal of Molecular Biology. 413, 684-698 (2011).
  6. Villareal, V. A., et al. Transient weak protein-protein complexes transfer heme across the cell wall of Staphylococcus aureus. Journal of the American Chemical Society. 133, 14176-14179 (2011).
  7. Muryoi, N., et al. Demonstration of the iron-regulated surface determinant (Isd) heme transfer pathway in Staphylococcus aureus. J. Biol. Chem. 283, 28125-28136 (2008).
  8. Reniere, M. L., Skaar, E. P. Staphylococcus aureus haem oxygenases are differentially regulated by iron and haem. Mol. Microbiol. 69, 1304-1315 (2008).
  9. Liu, M., et al. Direct hemin transfer from IsdA to IsdC in the iron-regulated surface determinant (Isd) heme acquisition system of Staphylococcus aureus. J. Biol. Chem. 283, 6668-6676 (2008).
  10. Pishchany, G., et al. Specificity for human hemoglobin enhances Staphylococcus aureus infection. Cell Host Microbe. 8, 544-550 (2010).
  11. Pishchany, G., Dickey, S. E., Skaar, E. P. Subcellular localization of the Staphylococcus aureus heme iron transport components IsdA and IsdB. Infect. Immun. 77, 2624-2634 (2009).
  12. Torres, V. J., Pishchany, G., Humayun, M., Schneewind, O., Skaar, E. P. Staphylococcus aureus IsdB is a hemoglobin receptor required for heme iron utilization. J. Bacteriol. 188, 8421-8429 (2006).
  13. Kim, H. K., et al. IsdA and IsdB antibodies protect mice against Staphylococcus aureus abscess formation and lethal challenge. Vaccine. 28, 6382-6392 (2010).
  14. Cheng, A. G., et al. Genetic requirements for Staphylococcus aureus abscess formation and persistence in host tissues. Faseb J. 23, 3393-3404 (2009).
  15. Andreini, C., Bertini, I., Cavallaro, G., Holliday, G. L., Thornton, J. M. Metal ions in biological catalysis: from enzyme databases to general principles. J. Biol. Inorg. Chem. 13, 1205-1218 (2008).
  16. Weinberg, E. D. Iron availability and infection. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – General Subjects. 1790, 600-605 (2009).
  17. Drabkin, D. Metabolism of the Hemin Chromoproteins. Physiological Reviews. 31, 345-431 (1951).
  18. Graversen, J. H., Madsen, M., Moestrup, S. K. CD163: a signal receptor scavenging haptoglobin-hemoglobin complexes from plasma. The international journal of biochemistry & cell biology. 34, 309-314 (2002).
  19. Torres, V. J., et al. Staphylococcus aureus Fur regulates the expression of virulence factors that contribute to the pathogenesis of pneumonia. Infect. Immun. 78, 1618-1628 (2010).
  20. Hammer, N. D., Skaar, E. P. Molecular Mechanisms of Staphylococcus aureus Iron Acquisition. Annu. Rev. Microbiol. , (2011).
  21. Hurd, A. F., et al. The iron-regulated surface proteins IsdA, IsdB, and IsdH are not required for heme iron utilization in Staphylococcus aureus. Fems. Microbiology Letters. 329, 93-100 (2012).
  22. Boys, B. L., Kuprowski, M. C., Konermann, L. Symmetric behavior of hemoglobin alpha- and beta- subunits during acid-induced denaturation observed by electrospray mass spectrometry. Biochemistry. 46, 10675-10684 (2007).
  23. Williams, R. C., Tsay, K. Y. A convenient chromatographic method for the preparation of human hemoglobin. Analytical Biochemistry. 54, 137-145 (1973).
  24. Shen, T. J., et al. Production of unmodified human adult hemoglobin in Escherichia coli. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 90, 8108-8112 (1993).
  25. Manjula, B. N., Acharya, S. A. Purification and molecular analysis of hemoglobin by high-performance liquid chromatography. Methods Mol. Med. 82, 31-47 (2003).
  26. Neilands, J. B. Microbial envelope proteins related to iron. Annual review of microbiology. 36, 285-309 (1982).
  27. Chart, H., Buck, M., Stevenson, P., Griffiths, E. Iron regulated outer membrane proteins of Escherichia coli: variations in expression due to the chelator used to restrict the availability of iron. Journal of General Microbiology. 132, 1373-1378 (1986).
  28. Rogers, H. J. Iron-Binding Catechols and Virulence in Escherichia coli. Infection and Immunity. 7, 445-456 (1973).

Play Video

Cite This Article
Pishchany, G., Haley, K. P., Skaar, E. P. Staphylococcus aureus Growth using Human Hemoglobin as an Iron Source. J. Vis. Exp. (72), e50072, doi:10.3791/50072 (2013).

View Video