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Immunology and Infection

Haute résolution microscopie électronique de la Published: November 21, 2014 doi: 10.3791/52122

Protocol

1. H. pylori croissance dans différentes conditions de Fer Disponibilité et co-culture avec des cellules humaines épithéliales gastriques

  1. Sélectionnez H. pylori souche PMSS1 pour ces études car il a une île de pathogénicité cag intact et exprime un système IV de sécrétion de type fonctionnement. Utiliser également un mutant de la cage isogéniques (PMSSI Δ cage) comme contrôle négatif. Cultiver les bactéries sur des plaques de TSA complétées avec du sang de mouton à 5% (plaques de gélose au sang) pendant 24 heures à 37 ° C en présence de 5% de CO 2.
    NOTE: Préparer les réactifs et assembler des matériaux comme indiqué dans le matériel et équipement tableau. Les concentrations finales pour chaque réactif est indiquée entre parenthèses.
  2. Grattez les bactéries de la plaque à l'aide d'un coton-tige stérile et inoculer dans un bouillon Brucella modifié préparé à partir de composants (voir Matériels et ustensiles de table) et complété avec le cholestérol. Incuber les cultures pendant la nuit à 37° C dans l'air ambiant supplémenté avec 5% de CO2 avec agitation à 200 tours par minute (rpm).
    NOTE: Le cholestérol est utilisé à la place de sérum de veau fœtal en raison du fait que le sérum est complexe; contenant de nombreuses sources de nutriments tels que le fer hémique qui provoque la variabilité des résultats.
  3. Le jour de la culture bactérienne, ensemencer les cellules épithéliales gastriques AGS humaines (ATCC CRL-1739) sur le poly-D-lysine lamelles traitées dans des plaques de 12 puits (environ 1 x 10 5 cellules par puits).
  4. Le jour suivant, les cultures bactériennes diluées à une DO600 de 0,3 dans un bouillon Brucella modifié, seul ou additionné de 100 uM de FeCl3, 200 uM de dipyridyle (un chélateur de fer synthétique) ou 200 pM de dipyridyle plus 250 uM de FeCl3. Incuber les cultures pendant 4 heures à 37 ° C dans l'air ambiant supplémenté avec 5% de CO2 avec agitation à 200 tours par minute.
  5. Bactéries centrifuger à 1000 xg pour recueillir des cellules et supprimer surnageants avant la remise en suspension in un volume égal de bouillon Brucella modifié frais supplémenté avec du cholestérol. La mesure de la DO600 de la culture (DO 600 = 1,0 = 5,5 x 10 8 cellules / ml) et ajouter des bactéries aux cellules epitheliales en une multiplicité d'infection (MOI) de 20: 1. Réaliser des dilutions en série et des cellules bactériennes en plaque sur des plaques de gélose au sang pour évaluer la viabilité de la cellule bactérienne.
  6. Incuber H. cellules épithéliales gastriques humaines pylori et AGS co-cultures de 4 heures à 37 ° C en présence de 5% CO 2 dans des conditions statiques avant de procéder à la microscopie électronique à balayage (MEB) la préparation d'échantillons.

2. SEM de la préparation d'échantillons pour visualiser les H. pylori Cag-T4SS Pili

  1. Retirer H. pylori et les co-cultures AGS à partir du surnageant incubateur et décanter la culture (sauf pour l'IL-8 ELISA). Laver doucement trois fois avec 0,05 M de tampon cacodylate de sodium (pH 7,4). Fixer les échantillons pendant 2-4 heures à la température ambiante dans une solution de 2,0% de paraformaldéhyde, 2,5% De glutaraldéhyde, et un tampon de cacodylate de sodium 0,05 M. Après fixation primaire, laver échantillons trois fois avec le tampon de cacodylate de sodium 0,05 M.
  2. Effectuer fixation secondaire en utilisant du tétroxyde d'osmium à 0,1% dans du tampon cacodylate de sodium 0,05 M en deux étapes séquentielles 10 min de fixation. Après fixation secondaire, laver échantillons trois fois avec le tampon de cacodylate de sodium 0,05 M.
  3. Après la fixation primaire et secondaire, déshydrater échantillons par lavage séquentiel avec des concentrations croissantes d'éthanol, selon le tableau 1.
  4. Après déshydratation de l'éthanol, effectuer trois lavages successifs de dioxyde de carbone liquide. Puis échantillons secs à un point critique en utilisant un sèche-linge de point critique à une température de 31,1 ° C et une pression de 1073 psi.
  5. Mont lamelles de talons sur des échantillons d'aluminium SEM et de la peinture avec une fine ligne de l'argent colloïdal au bord de l'échantillon pour atteindre la terre appropriée et éviter de charger lors de l'imagerie SEM.
  6. échantillons de manteau avec 5 nm deor-palladium en utilisant une machine de revêtement par pulvérisation pour augmenter le signal d'électrons secondaires échantillon et l'effet de bord.

3. Paramètres d'imagerie pour analyses résolution SEM haut

  1. Voir les échantillons avec un microscope électronique à balayage Gun à émission de champ (FEG-SEM).
  2. L'image dans un mode à vide élevé à une distance de travail de 5 à 10 mm.
  3. Réglez la tension d'accélération de 5 kV.
  4. Régler la taille de place à 2-2,5.
  5. Inclinez l'échantillon entre 15-25 degrés pour obtenir une meilleure vue de l'interface hôte-pathogène.
  6. Donner la priorité à l'imagerie de bactéries adhérentes aux bords des cellules épithéliales à fort grossissement pour la visualisation, en tant que ces zones d'interaction hôte-pathogène sont enrichies en bactéries formant des pili.

4. Analyses statistiques pour évaluer Pili Quantifications

  1. Analyser H. pylori pili Cag-T4SS utilisant le logiciel ImageJ pour quantifier le nombre de pili / cellule ainsi que pour cent des cellules présentant l'pili phephénotype selon les instructions ci-dessous.
  2. Fichiers micrographiques ouvrir dans le logiciel ImageJ. Identifier en tant que pili de structures formées entre la cellule bactérienne et une cellule hôte, avec une largeur uniforme (10-13 nm) et la longueur (60-150 nm).
    REMARQUE: La structure de pilus est présent sur ​​les souches bactériennes WT, mais absent sur ​​des souches isogéniques tels que Δ cage souches mutantes, qui abritent une inactivation dans le gène codant pour la majeure ATPase que l'assemblage de type IV pouvoirs sécrétion de pilus.
  3. Calibrer l'outil de mesure en traçant une ligne avec l'outil de ligne droite, puis en cliquant sur l'onglet "Analyser". Sélectionnez "Scale Set" dans le menu déroulant et entrez la valeur de la barre de grossissement dans la case "Distance connu" et régler l'unité de longueur sur le paramètre approprié (nm). Cliquez sur "OK".
  4. Mesurer Cag-T4SS pili en utilisant l'outil de ligne droite à tirer sur la longueur ou la largeur du pili, puis appuyez sur "Ctrl-M" pour mesurer chaque pili. Observez une boîte de dialogue avec les valeurs mesurées. Notez ces valeurs ou copier et coller dans un tableur.
  5. Utilisez la longueur et la largeur des paramètres précédemment établis 24, caractéristiques de ne pas tenir compte qui ne correspondent pas au profil de Cag-T4SS. Puis quantifier le nombre de pili fondée sur des valeurs qui sont à l'intérieur des seuils 10-13 nm de largeur et 60-150 nm de longueur.
  6. Analyser la quantification de pili statistiquement par le test t de Student bilatéral utilisant le logiciel GraphPad Prism.

5. Facultatif: évaluation de la sécrétion d'IL-8 en corrélation avec Pilus production

  1. Utilisation de surnageants de l'étape 2.1, effectuer un IL-8 ELISA selon les instructions du fabricant avec le kit (voir Matériels et ustensiles de table).
  2. Analyse de l'IL-8 sécrétée par les cellules hôtes et le calcul de la IL-8 pour cent par rapport à induction WT PMSS1 cultivées dans du milieu seul. Effectuer une analyse statistique utilisant bilatéral test t de Student en utilisant GraphPad Prism siftware.

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Representative Results

Dans ce rapport, nous avons démontré que les conditions de disponibilité est variable de fer ont la capacité de moduler H. pylori Cag-T4SS pili biogenèse à l'interface hôte-pathogène. Lorsqu'elle est cultivée dans le milieu seul, H. pylori constitue un moyen de pili 3 / cellule. Lorsque H. pylori est cultivé en fer épuiser conditions (à l'aide du chélateur dipyridyle synthétique) qui sont sous-inhibitrice pour la croissance des bactéries (Figure 1), les bactéries produisent de nombreux Cag-T4SS pili (~ 7 pili / cellule) en cas de co-cultivées avec des cellules gastriques humaines (Figure 2). A l'inverse, quand une source exogène de fer élément est présent, la formation de pili Cag-T4SS est réprimée (moins de 1 pilus / cellule dans l'échantillon FE, moins de 1 pilus / cellule dans l'échantillon FE + DIP) (figure 2). Quantification des pili à l'interface hôte-pathogène révèle que dans des conditions de restriction de fer, H. pylori présente une augmentation de 2 fois dans Cag-T4SS pili (p <0,000 1) et le pourcentage de cellules pili augmente de 11% (p <0,05) par rapport aux cellules cultivées dans du milieu seul (Figure 3). Fait intéressant, l'activité de l'ACG-T4SS, telle que mesurée par l'hôte IL-8 sécrétion, est améliorée de 107% dans des conditions de restriction de fer et réprimé 49% dans des conditions de disponibilité de l'excès de fer par rapport à un milieu seul (p = 0,03 et p < 0,001, respectivement), un résultat qui prend en charge les données MEB. Cependant, les dimensions de pili restent cohérentes entre toutes les conditions de la disponibilité du fer (Figure 4). En outre, la disponibilité du fer ne change pas la biogenèse des pili sur la surface d'un mutant de la cage, et ne modifie pas la capacité de ce dérivé isogénique pour induire une réponse d'IL-8 par les cellules hôtes, l'appui de l'hypothèse que les structures démontrées sont, en fait, une fonctionnalité supplémentaire de surface sans rapport Cag-T4SS et non.

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Figure 1:. Viabilité bactérienne déterminé dans diverses conditions de disponibilité du fer H. pylori a été cultivé dans un bouillon Brucella modifié seul (milieu seul), ou supplémenté avec 100 uM de FeCl3 (FE), 200 uM de dipyridyle (DIP) ou 200 pM de dipyridyle plus 250 uM de FeCl3 (FE + DIP). Les bactéries ont été diluées en série et étalées sur un milieu bactériologique avant l'incubation pendant 2 jours à 37 ° C en présence de 5% de CO 2. Les colonies ont été comptées et unités formant des colonies / ml (CFU / ml) ont été calculés. Les barres indiquent les moyennes de trois expériences indépendantes +/- SEM. Le traitement par DIP, FE, ou FE + DIP ne modifie pas de manière significative la viabilité des bactéries.

Figure 2
Figure 2: High rLes analyses par microscopie électronique à balayage de ESOLUTION de H. pili pylori Cag-T4SS. Les bactéries ont été cultivées dans du A) du milieu seul, B) supplémenté avec 100 pM de FeCl 3, C) supplémenté avec 200 pM de dipyridyle, ou D) un milieu supplémenté avec 200 pM de dipyridyle plus 250 uM de FeCl3 avant la co-culture avec humaine AGS des cellules gastriques. Les flèches indiquent pili Cag-T4SS formé à l'interface hôte-pathogène. Les échantillons ont été analysés par microscopie électronique à balayage à haute résolution afin d'évaluer Cag-T4SS biogenèse. Conditions de faible disponibilité en fer augmentent la prévalence de la formation des pili Cag-T4SS, tandis que les conditions de l'excès d'éléments nutritifs disponibles fer réprimer la formation de pili-Cag T4SS.

Figure 3
Figure 3: Quantification des pili / cellule et pili pour cent des cellules cultivées dans diversconditions de disponibilité du fer. Les bactéries ont été cultivées dans un bouillon Brucella modifié seul (milieu seul) ou le milieu additionné de 100 uM de FeCl3 (FE), 200 uM de dipyridyle (DIP) ou 200 pM de dipyridyle plus 250 uM de FeCl3 (FE + DIP) avant de coopérer culture avec des cellules épithéliales gastriques humaines. Les échantillons ont été analysés par microscopie et pili électronique à balayage à haute résolution ont été dénombrés à l'aide du logiciel ImageJ. A) Diagramme de dispersion de pili par cellule (* p <0,0001 par rapport à un milieu seul) et B) Bar graphique pour cent représentant de cellules pili (* p <0,05 par rapport au milieu seul) dérivés 60-112 cellules par culture dérivée état de 3 séparé les expériences biologiques.

Figure 4
Figure 4: dimensions pili mesurées à partir de cellules cultivées dans différentes conditions de disponibilité du fer. Bacteria ont été cultivées dans un bouillon Brucella modifié seul (milieu seul) ou le milieu additionné de 100 uM de FeCl3 (FE), 200 uM de dipyridyle (DIP) ou 200 pM de dipyridyle plus 250 uM de FeCl3 (FE + DIP) avant de coopérer culture avec des cellules épithéliales gastriques humaines. Les échantillons ont été analysés par microscopie électronique à balayage à haute résolution et des dimensions pili ont été mesurées à l'aide du logiciel ImageJ. A) Pilus largeur est en moyenne de 13,1 +/- 2,4 nm parmi toutes les conditions. B) longueur Pilus est en moyenne de 75,8 +/- 16,0 nm parmi toutes les conditions. Aucune différence significative dans les dimensions de pili sont vus dans les diverses conditions de la disponibilité du fer.

Figure supplémentaire 1: analyse par microscopie électronique à balayage à haute résolution de H. mutant pylori cage dans diverses conditions de disponibilité du fer. Les bactéries ont été cultivées dans un) supplémenté avec 100 uM FeCl 3, B) supplémenté avec 200 uM dipyridyl (DIP) ou C) supplémenté avec 200 pM de dipyridyle (DIP) plus 250 uM de FeCl3 à la co-culture avec des cellules avant gastriques AGS humains. Les échantillons ont été analysés par microscopie électronique à balayage à haute résolution afin d'évaluer Cag-T4SS biogenèse. Conditions de fer faible ou élevé ne modulent toute la biogenèse des pili Cag-indépendante, soutenant l'hypothèse que les structures visualisées dans la figure 2 sont Cag-T4SS pili.

Figure complémentaire 2: analyse ELISA de l'hôte IL-8 sécrétion en réponse à des bactéries cultivées dans des conditions de disponibilité du fer variable. De type sauvage (barres blanches) ou un mutant de la cage (barres grises) de bactéries ont été cultivées dans un bouillon Brucella modifié seul (milieu seul) ou le milieu additionné de 100 uM de FeCl3 (FE), 200 uM de dipyridyle (DIP) ou 200 pM de dipyridyle plus 250 uM de FeCl3 (FE + DIP) pour le co-culture avec les cellules épithéliales avant gastriques humaines. Résultats de restriction de fer à une augmentation de IL-8, Une réponse de l'hôte qui dépend de l'activité Cag-T4SS. Les barres indiquent moyenne +/- SEM, dérivé de 3 expériences biologiques distinctes. (* P <0,05 par rapport à PMSS1 cultivées dans du milieu seul).

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Discussion

Le fer est un oligo-élément essentiel pour la plupart des formes de vie, y compris les bactéries pathogènes. Dans un effort pour limiter la viabilité des micro-organismes envahisseurs, les hôtes vertébrés séquestrent fer éléments nutritifs dans un processus connu sous le nom "immunité nutritionnelle» 18. En réponse à cela, les bactéries pathogènes ont évolué à utiliser le fer comme une molécule de signalisation mondiale de sentir leur environnement et de réglementer l'élaboration de caractéristiques de virulence tels que les systèmes d'acquisition du fer, des toxines, et la toxine machinerie de sécrétion 19,20.

H. pylori nécessite micronutriments tels que le fer, le zinc, le magnésium et croître de 22 et peut utiliser des sources alternatives de fer tels que l'hème, l'hémoglobine, la transferrine, la lactoferrine et 23. H. pylori, comme la plupart des agents pathogènes succès, a évolué un vaste répertoire de facteurs de virulence pour l'aider à piéger le fer nutriments de l'hôte 21. Un facteur de virulence, CagA, la molécu effecteurle de la CAG-T4SS, est impliquée dans le réacheminement de la transferrine à partir de la face basolatérale des cellules polarisées à la surface apicale où il peut être facilement utilisé par les cellules bactériennes comme source d'éléments nutritifs fer et de promouvoir la replication 15. Ainsi, il semble une stratégie évolutive intuitive pour favoriser la sécrétion de CagA dans des conditions de faible disponibilité en fer.

Le H. pylori Cag-T4SS est un organite bactérienne importante, du fait des réponses des cellules pro-inflammatoires de l'hôte, il provoque. Les effets de l'ACG-T4SS ont été bien étudiés dans les deux co-cultures et des modèles animaux d'infection. Cependant, les études de la structure macromoléculaire et la composition de ce système de sécrétion de toxine ont été entravés par le manque de protocoles d'imagerie à haute résolution. Nos rapports précédemment publiés étudient la Cag-T4SS ont rapporté une moyenne de quatre Cag-T4SS pili par cellule bactérienne par microscopie électronique à haute résolution analyses 24. Notre méthode améliorée offreune technique d'imagerie solide pour visualiser le CAG-T4SS en utilisant une technique de culture qui favorise la production de cette caractéristique sur la surface de la cellule bactérienne. L'utilisation de techniques de culture conjointement avec haute résolution canon à émission de champ microscope électronique à balayage est critique pour ce protocole d'imagerie. Enrichissement deux fois de la fonction de surface Cag-T4SS est une augmentation significative pour les chercheurs intéressés à effectuer des analyses immunohistochimiques tels que les techniques d'immunofluorescence ou immunoprécipitation afin de mieux caractériser la localisation subcellulaire ou la composition de l'ACG-T4SS. Une fois que la microscopie à haute résolution de l'imagerie électronique de la CAG-T4SS maîtrisé, il est également possible de mettre au point d'autres applications, comme immuno-marquage, afin de déterminer l'emplacement des protéines bactériennes par rapport à la CAG-pilus T4SS 25.

Une des limites de notre technique est le fait que l'enquêteur est encore limitée à using un système de co-culture pour la visualisation de l'ACG-T4SS. Dans un seul domaine, seul un sous-ensemble de H. pylori dans des conditions normales de culture forment ces structures (environ 50-70 pour cent, voir Figure 3 panneau B). Donc, de nombreuses cellules dans un domaine seront non-pili. On ne sait pas pourquoi ces sous-populations existent dans le même emplacement, mais ces cellules sont toujours représenté à l'intérieur à la fois les quantifications de pili / cellule et pour cent des cellules avec pili sur la surface. Parce que le CAG-T4SS est seulement observée à l'interface hôte bactérien, les étapes de fixation primaires et secondaires au sein de la préparation de l'échantillon SEM sont critiques pour le maintien de deux structures protéiques et les membranes des cellules eucaryotes et procaryotes. Cependant, au cours de la fixation peut se produire si les étapes de fixation sont réalisées plus longues que décrites, ou si les solutions ne sont pas fraîchement préparés. Si plus de la fixation se produit, les échantillons auront un aspect de pierre lorsqu'on les examine sous SEM et la Cag-T4SS sera masqué par cette. Pour TROUBLeshoot, répéter la préparation de l'échantillon à l'aide de fixateurs SEM moins concentrées et / ou moins de temps incubées en présence du fixateur.

Le système de co-culture rend également la caractérisation biochimique (telles que les analyses par spectrométrie de masse) encombrant en raison de la contamination de grandes quantités de protéines de l'hôte. Cependant, la compréhension des mécanismes moléculaires qui régulent la production de ce système de sécrétion bactérienne pourrait finalement conduire à de nouvelles techniques qui vont déclencher la formation de pili-Cag T4SS en l'absence de cellules hôtes. Cela améliorerait grandement les techniques d'isolement et de purification pour les dosages biochimiques.

En conclusion, nous déclarons que les conditions de disponibilité résultat de fer limité à une production accrue de H. pylori Cag-T4SS qui peut être visualisé par des techniques de microscopie électronique à balayage à haute résolution. Nous présentons également la répression de fer dépendant de cette fonction de la surface à l'interfa hôte-pathogèneCE. Cet essai peut être optimisé et utilisé pour de nombreuses bactéries pathogènes qui forment la toxine sécrétions régulées par le fer et est largement applicable à une variété d'interactions hôte-microbe.

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Materials

Name Company Catalog Number Comments
Modified brucella broth
Peptone from casein (10 g/L) Sigma 70172
Peptic digest of animal tissue (10 g/L) Sigma 70174
Yeast extract (2 g/L) Sigma 92144
Dextrose (1 g/L) Sigma D9434
Sodium chloride (5 g/L) Thermo Fisher S271-10
Cholesterol (250X) (4 ml/L) Life Technologies 12531018
Ferric chloride (100 or 250 uM) Sigma 157740-100G
Dipyridyl (200 uM) Sigma D216305-100G
Modified RPMI
RPMI+HEPES (1X) Life Technologies 22400-121
Fetal bovine serum (100 ml/L) Life Technologies 10438-026
Electron Microscopy Preparation
Paraformaldehyde (2.0% aqueous) Electron Microscopy Sciences 15713
Gluteraldehyde (2.5% aqueous) Electron Microscopy Sciences 16220
Sodium cacodylate (0.05 M) Electron Microscopy Sciences 12300
Osmium tetroxide (0.1% aqueous) Electron Microscopy Sciences 19150
Ethanol (absolute) Sigma E7023
Colloidal silver paint Electron Microscopy Sciences 12630
SEM sample stubs Electron Microscopy Sciences 75220
Coverslips Thermo Fisher 08-774-383
IL-8 Secretion Evaluation
Quantikine IL-8 ELISA kit R&D Systems D8000C

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References

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Infection Numéro 93, L'acquisition du fer, de type IV sécrétion pili
Haute résolution microscopie électronique de la<em&gt; Helicobacter pylori</em&gt; Cag sécrétion de type IV Système Pili Produit dans différentes conditions de Fer Disponibilité
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Haley, K. P., Blanz, E. J., Gaddy,More

Haley, K. P., Blanz, E. J., Gaddy, J. A. High Resolution Electron Microscopy of the Helicobacter pylori Cag Type IV Secretion System Pili Produced in Varying Conditions of Iron Availability. J. Vis. Exp. (93), e52122, doi:10.3791/52122 (2014).

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