Ein genetischer Schalter steuert die Oberflächenbesiedlung von Pseudomonas aeruginosa

Nature Microbiology (2023)Diesen Artikel zitieren

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Eine effiziente Besiedlung von Schleimhautoberflächen ist für opportunistische Krankheitserreger wie Pseudomonas aeruginosa von entscheidender Bedeutung. Wie sich Bakterien jedoch gemeinsam und individuell anpassen, um Adhärenz, Virulenz und Ausbreitung zu optimieren, ist weitgehend unklar. Hier haben wir einen stochastischen genetischen Schalter, hecR-hecE, identifiziert, der bimodal exprimiert wird und funktionell unterschiedliche bakterielle Subpopulationen erzeugt, um das Wachstum und die Ausbreitung von P. aeruginosa auf Oberflächen auszugleichen. HecE hemmt die Phosphodiesterase BifA und stimuliert die Diguanylatcyclase WspR, um die c-di-GMP-Second-Messenger-Spiegel zu erhöhen und die Oberflächenbesiedlung in einer Subpopulation von Zellen zu fördern; HecE-exprimierende Zellen in geringer Konzentration zerstreuen sich. Der Anteil der HecE+-Zellen wird durch verschiedene Stressfaktoren bestimmt und bestimmt das Gleichgewicht zwischen Biofilmbildung und weiträumiger Zellverbreitung von oberflächengewachsenen Gemeinschaften. Wir zeigen auch, dass der HecE-Signalweg ein medikamentöses Ziel darstellt, um der Oberflächenkolonisierung von P. aeruginosa wirksam entgegenzuwirken. Die Aufdeckung solcher binären Zustände eröffnet neue Möglichkeiten zur Bekämpfung von Schleimhautinfektionen durch einen wichtigen menschlichen Krankheitserreger.

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Die im Rahmen dieser Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich. Auf die rohen Sequenzierungsdateien des Experiments zur Chromatin-Immunpräzipitation mit Sequenzierung kann beim NCBI unter der Zugangsnummer PRJNA900431 zugegriffen werden. Einzigartige biologische Materialien sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich. Die Strukturkoordinaten des BifA-R-Zustand-Dimers sind in der PDB-Bibliothek unter der Zugangsnummer 8ARV hinterlegt.

Der für die Analyse von Durchflusszytometriedaten generierte Code kann unter https://github.com/Jenal-Lab abgerufen werden.

Rutherford, ST & Bassler, BL Bakterielles Quorum Sensing: seine Rolle bei der Virulenz und Möglichkeiten zu seiner Kontrolle. CSH-Perspektive. Med. 2, a012427 (2012).

Google Scholar

Rahbari, KM, Chang, JC & Federle, MJ Ein Streptococcus-Quorum-Sensing-System ermöglicht die Unterdrückung der angeborenen Immunität. mBio 12, e03400-20 (2021).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Wu, L. & Luo, Y. Bakterielle Quorum-Sensing-Systeme und ihre Rolle beim Crosstalk zwischen Darmbakterien und Wirt. Vorderseite. Mikrobiol. 12, 611413 (2021).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Laventie, B.-J. et al. Ein oberflächeninduziertes asymmetrisches Programm fördert die Gewebebesiedlung durch Pseudomonas aeruginosa. Cell Host Microbe 25, 140–152 (2019).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Diard, M. et al. Stabilisierung der kooperativen Virulenz durch die Expression eines avirulenten Phänotyps. Natur 494, 353–356 (2013).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Ackermann, M. et al. Selbstzerstörerische Kooperation, vermittelt durch phänotypisches Rauschen. Natur 454, 987–990 (2008).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Kotte, O., Volkmer, B., Radzikowski, JL & Heinemann, M. Phänotypische Bistabilität im zentralen Kohlenstoffstoffwechsel von Escherichia coli. Mol. Syst. Biol. 10, 736 (2014).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Basan, M. et al. Ein universeller Kompromiss zwischen Wachstum und Verzögerung in schwankenden Umgebungen. Natur 584, 470–474 (2020).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Bakshi, S. et al. Verfolgung bakterieller Abstammungslinien in komplexen und dynamischen Umgebungen mit Anwendungen zur Wachstumskontrolle und -persistenz. Nat. Mikrobiol. 6, 783–791 (2021).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Balaban, NQ, Merrin, J., Chait, R., Kowalik, L. & Leibler, S. Bakterienpersistenz als phänotypischer Schalter. Wissenschaft 305, 1622–1625 (2004).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Arnoldini, M., Vizcarra, IA & Peña-Miller, R. Die bistabile Expression von Virulenzgenen in Salmonellen führt zur Bildung einer Antibiotika-toleranten Subpopulation. PLoS Biol. 8, e1001928 (2014).

Artikel Google Scholar

Manina, G., Griego, A., Singh, LK, McKinney, JD & Dhar, N. Bereits bestehende Variationen in der DNA-Schadensreaktion sagen das Schicksal einzelner Mykobakterien unter Stress voraus. EMBO J. 38, e101876 (2019).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Stewart, MK, Cummings, LA, Johnson, ML, Berezow, AB & Cookson, BT Die Regulierung der phänotypischen Heterogenität ermöglicht Salmonellen die Umgehung der Caspase-1-Entzündungsreaktion des Wirts. Proz. Natl Acad. Wissenschaft. USA 108, 20742–20747 (2011).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Kim, JM, Garcia-Alcala, M., Balleza, E. & Cluzel, P. Stochastische Transkriptionsimpulse orchestrieren die Flagellenbiosynthese in Escherichia coli. Wissenschaft. Adv. 6, eaax0947 (2020).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Armbruster, CR et al. Heterogenität in der Oberflächenabtastung deutet auf eine Arbeitsteilung in Pseudomonas aeruginosa-Populationen hin. eLife 8, e45084 (2019).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Klockgether, J. & Tümmler, B. Jüngste Fortschritte beim Verständnis von Pseudomonas aeruginosa als Krankheitserreger. F1000Research 6, 1261 (2017).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Kazmierczak, BI, Schniederberend, M. & Jain, R. Kreuzregulierung von Pseudomonas-Motilitätssystemen: die enge Beziehung zwischen Flagellen, Pili und Virulenz. Curr. Meinung. Mikrobiol. 28, 78–82 (2015).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Malone, JG et al. YfiBNR vermittelt die zyklische Di-GMP-abhängige Bildung und Persistenz kleiner Kolonievarianten in Pseudomonas aeruginosa. PLoS Pathog. 6, e1000804 (2010).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Wang, C., Ye, F., Kumar, V., Gao, Y.-G. & Zhang, L.-H. BswR steuert die bakterielle Motilität und Biofilmbildung in Pseudomonas aeruginosa durch Modulation der kleinen RNA rsmZ. Nukleinsäuren Res. 42, 4563–4576 (2014).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Wurtzel, O. et al. Das Transkriptom mit Einzelnukleotidauflösung von Pseudomonas aeruginosa, gewachsen bei Körpertemperatur. PLoS Pathog. 8, e1002945 (2012).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Sevin, EW & Barloy-Hubler, F. RASTA-Bacteria: ein webbasiertes Tool zur Identifizierung von Toxin-Antitoxin-Loci in Prokaryoten. Genombiol. 8, R155 (2007).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Kaczmarczyk, A. et al. Ein neuartiger Biosensor zeigt dynamische Veränderungen von C-di-GMP in differenzierenden Zellen mit ultrahoher zeitlicher Auflösung. Vorabdruck bei bioRxiv https://doi.org/10.1101/2022.10.18.512705 (2022).

Harrison, JJ et al. Erhöhte Exopolysaccharidspiegel in Flagellenmutanten von Pseudomonas aeruginosa haben Auswirkungen auf das Biofilmwachstum und chronische Infektionen. PLoS Genet. 16, e1008848 (2020).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Dreifus, JE et al. Das Sia-System und c-di-GMP spielen eine entscheidende Rolle bei der Kontrolle der Zellassoziation von Psl im planktonischen P. aeruginosa. J. Bakteriol. 204, e0033522 (2022).

Artikel PubMed Google Scholar

Kuchma, SL et al. BifA, eine zyklische Di-GMP-Phosphodiesterase, reguliert umgekehrt die Biofilmbildung und die Schwarmmotilität von Pseudomonas aeruginosa PA14. J. Bakteriol. 189, 8165–8178 (2007).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Hickman, JW, Tifrea, DF & Harwood, CS Ein chemosensorisches System, das die Biofilmbildung durch Modulation der zyklischen Diguanylatspiegel reguliert. Proz. Natl Acad. Wissenschaft. USA 102, 14422–14427 (2005).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Aldridge, P., Paul, R., Goymer, P., Rainey, P. & Jenal, U. Rolle des GGDEF-Regulators PleD bei der polaren Entwicklung von Caulobacter crescentus. Mol. Mikrobiol. 47, 1695–1708 (2003).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Andersen, JB et al. Die Induktion nativer c-di-GMP-Phosphodiesterasen führt zur Ausbreitung von Pseudomonas aeruginosa-Biofilmen. Antimikrob. Wirkstoffe Chem. 65, e02431-20 (2021).

Artikel Google Scholar

McAdams, HH & Arkin, A. Stochastische Mechanismen in der Genexpression. Proz. Natl Acad. Wissenschaft. USA 94, 814–819 (1997).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Brencic, A. et al. Das GacS/GacA-Signaltransduktionssystem von Pseudomonas aeruginosa wirkt ausschließlich durch seine Kontrolle über die Transkription der regulatorischen kleinen RNAs RsmY und RsmZ. Mol. Mikrobiol. 73, 434–445 (2009).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Francis, VI, Stevenson, EC & Porter, SL Zweikomponentensysteme, die für die Virulenz bei Pseudomonas aeruginosa erforderlich sind. FEMS Mikrobiol. Lette. 364, fnx104 (2017).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Wang, BX et al. Mucin-Glykane signalisieren über die Sensorkinase, dass sie virulenzassoziierte Merkmale in Pseudomonas aeruginosa hemmen. Curr. Biol. 31, 90–102 (2021).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Broder, UN, Jaeger, T. & Jenal, U. LadS ist eine auf Kalzium reagierende Kinase, die bei Pseudomonas aeruginosa einen akuten zu chronischen Virulenzwechsel induziert. Nat. Mikrobiol. 2, 16184 (2016).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

LeRoux, M., Peterson, SB & Mougous, JD Bakterielle Gefahrenerkennung. J. Mol. Biol. 427, 3744–3753 (2015).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Palmer, KL, Aye, LM & Whiteley, M. Ernährungshinweise steuern das mehrzellige Verhalten von Pseudomonas aeruginosa im Mukoviszidose-Sputum. J. Bakteriol. 189, 8079–8087 (2007).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Sriramulu, DD, Lünsdorf, H., Lam, JS & Römling, U. Mikrokoloniebildung: ein neuartiges Biofilmmodell von Pseudomonas aeruginosa für die Mukoviszidose-Lunge. J. Med. Mikrobiol. 54, 667–676 (2005).

Artikel PubMed Google Scholar

Irie, Y. et al. Selbstproduziertes Exopolysaccharid ist ein Signal, das die Biofilmbildung bei Pseudomonas aeruginosa stimuliert. Proz. Natl Acad. Wissenschaft. USA 109, 20632–20636 (2012).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Andersen, JB et al. Identifizierung kleiner Moleküle, die die c-di-GMP-Signalübertragung stören und die Ausbreitung von Pseudomonas aeruginosa-Biofilmen induzieren. npj Biofilms Microbiomes 7, 59 (2021).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Sundriyal, A. et al. Inhärente Regulierung der EAL-Domäne-katalysierten Hydrolyse des sekundären zyklischen Di-GMP. J. Biol. Chem. 289, 6978–6990 (2014).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Reinders, A. et al. Die digitale Kontrolle von c-di-GMP in E. coli gleicht bevölkerungsweite Entwicklungsübergänge und Phagenempfindlichkeit aus. Vorabdruck bei bioRxiv https://doi.org/10.1101/2021.10.01.462762 (2021).

Kulesekara, H., Lee, V. & Brencic, A. Die Analyse von Pseudomonas aeruginosa-Diguanylatcyclasen und Phosphodiesterasen zeigt, dass Bis-(3′-5′)-cyclisches GMP eine Rolle bei der Virulenz spielt. Proz. Natl Aacd. Wissenschaft. USA 103, 2839–2844 (2006).

Artikel CAS Google Scholar

Melaugh, G. et al. Verschiedene Arten mehrzelliger Aggregate in Flüssigkulturen von Pseudomonas aeruginosa. Vorabdruck bei bioRxiv https://doi.org/10.1101/2022.05.18.492589 (2022).

Roy, AB, Petrova, OE & Sauer, K. Die Phosphodiesterase DipA (PA5017) ist für die Biofilmdispersion von Pseudomonas aeruginosa essentiell. J. Bakteriol. 194, 2904–2915 (2012).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Silva, JB, Storms, Z. & Sauvageau, D. Wirtsrezeptoren für die Adsorption von Bakteriophagen. FEMS Mikrobiol. Lette. 363, fnw002 (2016).

Artikel Google Scholar

Harvey, H. et al. Pseudomonas aeruginosa verteidigt Phagen durch Typ-IV-Pilus-Glykosylierung. Nat. Mikrobiol. 3, 47–52 (2018).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Ackermann, M. Eine funktionale Perspektive auf die phänotypische Heterogenität in Mikroorganismen. Nat. Rev. Microbiol. 13, 497–508 (2015).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Lowery, NV, McNally, L., Ratcliff, WC & Brown, SP Arbeitsteilung, Wettabsicherung und die Entwicklung gemischter Biofilm-Investitionsstrategien. mBio 8, e00672-17 (2017).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Almblad, H. et al. Der zyklische AMP-Vfr-Signalweg in Pseudomonas aeruginosa wird durch zyklisches Di-GMP gehemmt. J. Bakteriol. 197, 2190–2200 (2015).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Kulasekara, BR et al. c-di-GMP-Heterogenität wird durch die Chemotaxis-Maschinerie erzeugt, um die Flagellenmotilität zu regulieren. eLife 2, e01402 (2013).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Burrows, LL Zuckende Motilität von Pseudomonas aeruginosa: Pili vom Typ IV in Aktion. Annu. Rev. Microbiol. 66, 493–520 (2012).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Ha, D.-G. & O'Toole, GA c-di-GMP und seine Auswirkungen auf die Bildung und Ausbreitung von Biofilmen: eine Übersicht über Pseudomonas aeruginosa. Mikrobiol. Spectr. 3, MB-0003-2014 (2015).

Artikel PubMed Google Scholar

Vrla, GD et al. Zytotoxische Alkylchinolone vermitteln oberflächeninduzierte Virulenz bei Pseudomonas aeruginosa. PLoS Pathog. 16, e1008867 (2020).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Mulcahy, LR, Isabella, VM & Lewis, K. Pseudomonas aeruginosa-Biofilme bei Krankheiten. Mikrob. Ökologisch. 68, 1–12 (2014).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Siryaporn, A., Kuchma, SL, O'Toole, GA & Gitai, Z. Oberflächenanhaftung induziert Pseudomonas aeruginosa-Virulenz. Proz. Natl Acad. Wissenschaft. USA 111, 16860–16865 (2014).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Acar, M., Mettetal, JT & van Oudenaarden, A. Stochastischer Wechsel als Überlebensstrategie in schwankenden Umgebungen. Nat. Genet. 40, 471–475 (2008).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Perkins, TJ & Swain, PS Strategien für die zelluläre Entscheidungsfindung. Mol. Syst. Biol. 5, 326–326 (2009).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Neidhardt, FC, Bloch, PL & Smith, DF Kulturmedium für Enterobakterien. J. Bakteriol. Rev. 119, 736–747 (1974).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Maffei, E. et al. Systematische Untersuchung der Phagen-Wirt-Wechselwirkungen von Escherichia coli mit der BASEL-Phagensammlung. PLoS Biol. 19, e3001424 (2021).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Smyth, GK Lineare Modelle und empirische Bayes-Methoden zur Bewertung der differentiellen Expression in Microarray-Experimenten. Stat. Appl Genet Mol. 3, Artikel 3 (2004).

Google Scholar

Agustoni, E. et al. Erfassung enzymatischer Fortschrittskurven in Echtzeit durch quenchingfreie Ionenaustauschchromatographie. Anal. Biochem. 639, 114523 (2022).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Kabsch, W. XDS. Acta Crystallogr. D 66, 125–132 (2010).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Potterton, L. et al. CCP4i2: die neue grafische Benutzeroberfläche der CCP4-Programmsuite. Acta Crystallogr. D 74, 68–84 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

McCoy, AJ et al. Phaser-Kristallographiesoftware. J. Appl. Kristalllogr. 40, 658–674 (2007).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Eswar, N. et al. Vergleichende Proteinstrukturmodellierung mit Modeller. Curr. Protokoll. Bioinform. 15, 5.6.1–5.6.30 (2006).

Artikel Google Scholar

Emsley, P. & Cowtan, K. Coot: Modellbauwerkzeuge für molekulare Grafiken. Acta Crystallogr. D 60, 2126–2132 (2004).

Artikel PubMed Google Scholar

Afonine, PV et al. Realraumverfeinerung in PHENIX für Kryo-EM und Kristallographie. Acta Crystallogr. D 74, 531–544 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Pettersen, EF et al. UCSF ChimeraX: Strukturvisualisierung für Forscher, Pädagogen und Entwickler. Proteinwissenschaft. 30, 70–82 (2020).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Wilson, DS & Keefe, AD Zufallsmutagenese durch PCR. Curr. Protokoll. Mol. Biol. 51, 8.3.1–8.3.9 (2000).

Google Scholar

Newman, JR & Fuqua, C. Expressionsvektoren mit breitem Wirtsbereich, die den l-Arabinose-induzierbaren Escherichia coli araBAD-Promotor und den araC-Regulator tragen. Gene 227, 197–203 (1999).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Hartmann, R. et al. Quantitative Bildanalyse mikrobieller Gemeinschaften mit BiofilmQ. Nat. Mikrobiol. 6, 151–156 (2021).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Budzik, JM, Rosche, WA, Rietsch, A. & O'Toole, GA Isolierung und Charakterisierung eines generalisierten transduzierenden Phagen für die Pseudomonas aeruginosa-Stämme PAO1 und PA14. J. Bakteriol. 186, 3270–3273 (2004).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Referenzen herunterladen

Wir danken F. Hamburger (Biozentrum, Universität Basel) für ihre Hilfe beim Klonen. Wir danken E. Maffei und A. Harms (Biozentrum, Universität Basel) für ihre Unterstützung bei der Phagenisolierung und -charakterisierung. Diese Arbeit wurde durch ein Biozentrum-Doktorandenstipendium an CM, den Schweizerischen Nationalfonds (Stipendium Nr. 310030_189253 an UJ), das vom Schweizerischen Nationalfonds finanzierte NCCR AntiResist (Stipendium Nr. 51NF40_180541 an KD und UJ) und den Europäischen Forschungsrat unterstützt (Zuschuss Nr. 716734 an KD) und Zuschüsse von Sygeforsikring Danmark, Danish Innovation Fund und Novoseed an MG und TT-N.

Tina Jäger

Derzeitige Adresse: Departement Biomedizin, Universität Basel, Basel, Schweiz

Jacob G. Malone

Derzeitige Adresse: Abteilung für Molekulare Mikrobiologie, John Innes Centre, Norwich, Großbritannien

Biozentrum, Universität Basel, Basel, Schweiz

Christina Manner, Raphael Dias Teixeira, Dibya Saha, Andreas Kaczmarczyk, Raphaela Zemp, Fabian Wyss, Tina Jaeger, Benoit-Joseph Laventie, Jacob G. Malone, Sebastian Hiller, Knut Drescher & Urs Jenal

sciCORE, Zentrum für Wissenschaftliches Rechnen, Universität Basel, Basel, Schweiz

Sébastien Boyer

Fachbereich Chemie, Technische Universität Dänemark, Lyngby, Dänemark

Katrine Qvortrup

Costerton Biofilm Center, Universität Kopenhagen, Kopenhagen, Dänemark

Jens Bo Andersen, Michael Givskov und Tim Tolker-Nielsen

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Konzeptualisierung: CM, TJ und UJ Methodik: CM, RDT, DS, AK, RZ, TJ, B.-JL, JGM, JBA, MD, TT-N., KQ, KD und UJ Formale Analyse: CM, RDT, SB und DS Untersuchung: CM, RDT, DS, RZ, TJ, JGM, FW und JBA Schreiben (ursprünglicher Entwurf): CM und UJ Finanzierungseinwerbung: MG, TT-N., KD, KQ, SH und UJ Aufsicht: SH, KD und UJ

Korrespondenz mit Urs Jenal.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Nature Microbiology dankt Tim Rick, Daniel Wozniak und den anderen, anonymen Gutachtern für ihren Beitrag zum Peer-Review dieser Arbeit.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

a, Koloniemorphologie der hecR::Tn-Mutante. b, Koloniemorphologie von WT- und Hec-Deletionsstämmen. Die Experimente wurden dreifach durchgeführt; Es wird ein repräsentatives Bild angezeigt. c, Wachstum von P. aeruginosa WT- und hec-Deletionsstämmen mit Mittelwerten und der Standardabweichung von drei biologischen Replikaten (mit jeweils sechs technischen Replikaten). d, Wachstum von WT- und Hec-Deletionsstämmen, die Plasmide für die Expression von Hec-Genen von einem IPTG-induzierbaren Promotor (EV, Kontrollplasmid) enthalten. Das Wachstum von LB (gestrichelte Linien) oder LB ergänzt mit 100 µM IPTG (durchgezogene Linien) wurde aufgezeichnet, und die Mittelwerte und die Standardabweichung von drei biologischen Replikaten (mit jeweils drei technischen Replikaten) werden angezeigt. e, Koloniemorphologie von P. aeruginosa WT und Mutanten ohne Pel- oder Psl-Exopolysaccharide, die hecE von einem IPTG-induzierbaren Promotor exprimieren. Die Experimente wurden dreifach durchgeführt; Es wird ein repräsentatives Bild angezeigt.

a, Schematische Darstellung der BifA-Domänenarchitektur und des BifA-Fragments, das von Y2H für die spezifische Interaktion mit HecE identifiziert wurde (TM, Transmembrandomäne; SID, kleinste interagierende Domäne). b, Dreidimensionale Struktur eines BifA-Dimers, eingebettet in die Zytoplasmamembran (grau), wie von AlphaFold vorhergesagt. c, CoIP-MS-Analyse von HecE. Immunpräzipitationsexperimente wurden mit dem Stamm PAO1 WT oder einem Stamm durchgeführt, der C-terminal FLAG-markiertes HecE und anti-M2-konjugierte Magnetkügelchen exprimierte. Auf den Perlen zurückgehaltene Proteine wurden mittels Massenspektrometrie analysiert. Daten aus drei biologischen Replikaten werden als Vulkandiagramme angezeigt. Log2-transformierte Intensitätsverhältnisse der nachgewiesenen Peptide zwischen HecE-Flag und dem WT (Strg) wurden berechnet und im Vergleich zu Werten aufgetragen, die aus der Signifikanzanalyse abgeleitet wurden (modifizierte t-Statistik, empirische Bayes-Methode59). d, Koloniemorphologie von P. aeruginosa-Wildtyp- und Mutantenstämmen, die ein leeres Plasmid (EV) oder ein Plasmid enthalten, das hecE von einem IPTG-induzierbaren Promotor exprimiert. Die Experimente wurden dreifach durchgeführt; Es wird ein repräsentatives Bild angezeigt. e, Wachstum (oben) und Fluoreszenz (c-di-GMP-Spiegel, unten) von P. aeruginosa-Wildtyp (WT), hecR::Tn- und ΔbifA-Stämmen, die eine Plasmidkontrolle (EV) oder ein Plasmid tragen, das das c- di-GMP-Sensor cdGreen. Dargestellt sind Mittelwerte und die Standardabweichung von zwei biologischen Replikaten (mit jeweils sechs technischen Replikaten).

a: Die Expression von hecR steigert die HecR- und HecE-Spiegel. Immunoblot-Analyse von HecR und HecE in Stämmen, die chromosomale Flag-markierte Kopien von hecR oder hecE exprimieren. Die Stämme enthielten ein Plasmid, das hecR, hecE oder beide Gene eines Arabinose-induzierbaren Promotors (EV, Kontrollplasmid) exprimierte. Extrakte von Zellen, die in Gegenwart (+) oder Abwesenheit (–) des Induktors Arabinose gezüchtet wurden, wurden durch Immunoblotting mit einem Anti-Flag (n = 1) analysiert. b: HecR bindet an die hecRE-Promotorregion. EMSA-Assays wurden mit markierter DNA, die die hecRE-Promotorregion enthielt, und mit steigenden Konzentrationen an gereinigtem HecR-Protein durchgeführt, wie angegeben (n = 2). c: HecR bindet ausschließlich an den hecRE-Locus auf dem P. aeruginosa-Chromosom. Chromatin-Pulldown-Experimente wurden mit einem Stamm durchgeführt, der eine HA-markierte Kopie von hecR in Abwesenheit der chromosomalen Wildtyp-hecR-Kopie exprimierte, und mit HA-spezifischen Antikörpern. Sequenzierungsablesungen werden auf der y-Achse für das gesamte P. aeruginosa-Chromosom (oben) oder den hecRE-Locus (unten) aufgetragen. Die Grafiken wurden mit Geneious Version 2019.0 von Biomatters erstellt. d: Der Anteil der Zellen, die hecE exprimieren, verändert sich während des Wachstums von P. aeruginosa. Die optische Dichte (durchgezogene Linien) und die Fluoreszenz (hecE-Expression; gestrichelte Linien) wurden während des Wachstums von hecRE-2mR-Reporterstämmen aufgezeichnet, die ein Plasmid enthielten, das hecR, hecE oder beide Gene eines IPTG-induzierbaren Promotors (EV, Kontrollplasmid) exprimierte. Mittelwerte und die Standardabweichung werden für drei biologische Replikate mit jeweils drei technischen Replikaten angezeigt. e: Der Anteil der Zellen, die hecRE exprimieren, ist unabhängig vom Kulturmedium. P. aeruginosa-Wildtyp, der den chromosomalen Reporter hecRE-2mR trägt, wurde 20 Stunden lang im angegebenen Medium kultiviert. Die Quantifizierung der Durchflusszytometriedaten wird für drei biologische Replikate gezeigt. Dreifachproben wurden unabhängig voneinander angebracht. Mittelwert und Bereich der berechneten Werte werden angezeigt. Die Normalität der Mittelwerte wurde mit einem Shapiro-Wilk-Test überprüft (P < 0,05). Ein einseitiger ANOVA-Test wurde verwendet, um Unterschiede in den Populationsmittelwerten zu analysieren (mit P < 0,05), gefolgt von Tukeys HSD-Post-hoc-Test, für den angepasste P-Werte angezeigt werden. f: Der Anteil der Zellen, die hecRE exprimieren, variiert während des Wachstums von P. aeruginosa. hecRE-2mR-Reporterstämme, die ein Plasmid tragen, das hecR von einem IPTG-induzierbaren Promotor exprimiert, wurden zurück in frisches LB verdünnt und 12 Stunden lang kultiviert (EV, Kontrollplasmid). Die mittels Durchflusszytometrie gemessenen Fluoreszenzintensitäten des Reporters werden als Violindiagramme (linke Y-Achse) angezeigt und das Wachstum wird in gepunkteten Linien (rechte Y-Achse) angezeigt. Zellen mit Signalwerten über dem angegebenen Schwellenwert (graue Linie) wurden als hecRE-2mR exprimierende Zellen gezählt. g: Die Expression von hecRE reagiert auf Nährstoffbeschränkungen. Der Reporterstamm P. aeruginosa hecRE-2mR wurde in MOPS-Minimalmedium mit unterschiedlichen Mengen Succinat als einziger Kohlenstoffquelle kultiviert. Das Wachstum und der Anteil der Zellen, die hecRE exprimieren, sind wie in Abb. 3f angegeben. h,i, Durchflusszytometriedaten des hecRE-2mR-Reporters in den Mutanten ΔrsmA (h) und ΔrpoS (i), kultiviert in MOPS mit den angegebenen Mengen an Succinat bei 37 °C. Zellen mit höherer Fluoreszenzintensität als der PAO1-Wildtyp-Stamm wurden quantifiziert (rechte Achse). Die optische Dichte der Kultur vor der Durchflusszytometrie ist in gepunkteten Linien (linke Achse) angegeben. j, Die ektopische Expression von hecR induziert die hecE-Transkription nur in der stationären Phase. Durchflusszytometrie-Analyse von Stämmen mit dem hecRE-2mR-Reporter im Wildtyp (WT) und angegebenen Mutanten. Reporterstämme, die ein hecR exprimierendes Plasmid enthielten, wurden in LB, ergänzt mit 100 µM IPTG, entweder bis zur Exponentialphase oder für 20 Stunden (stationär) kultiviert. Durchflusszytometrie-Experimente werden für drei biologische Replikate gezeigt, wobei die einzelnen Histogramme im Diagramm gestapelt sind. k, Der Anteil der Zellen, die hecRE exprimieren, wird bei erhöhter Temperatur erhöht. Der P. aeruginosa hecRE-2mR-Reporterstamm, der ein Plasmid beherbergt, das hecR von einem IPTG-induzierbaren Promotor exprimiert, wurde wie angegeben in MOPS + 20 mM Succinat, ergänzt mit 100 µM IPTG, bei steigenden Temperaturen kultiviert (EV, Kontrollplasmid). Durchflusszytometrie-Experimente werden für drei biologische Replikate gezeigt, wobei die einzelnen Histogramme im Diagramm gestapelt sind. l, Unbeschnittener Scan des in a gezeigten Immunoblots. m, Gating-Strategie für die Durchflusszytometrie-Experimente. Dargestellt ist eines von drei Replikaten des Wildtyps, die den hecRE-2mR-Reporter tragen.

a,d, Zunahme des Biofilmvolumens von P. aeruginosa-Wildtyp- und Mutantenstämmen. Biofilme wurden mit BiofilmQ70 in Würfel mit einer Seitenlänge von 2,34 µm segmentiert und das Biofilmvolumen wurde als Summe aller einzelnen Würfel zu einem bestimmten Zeitpunkt berechnet. Die rote Linie zeigt den Beginn des Ausbreitungsereignisses an. Die Analyse für ein Experiment wird in jedem Panel angezeigt. b,e, Objektparameter einschließlich der Entfernung zur Biofilmgrenze (Auflösung, 20 Voxel), Fluoreszenzintensitäten und lokale Zelldichte wurden mit BiofilmQ berechnet. c,f, Fluoreszenzintensitäten zu Beginn des Ausbreitungsereignisses (rote Linie) wurden aufgezeichnet und entsprechend ihrer Entfernung zur Biofilmgrenze farblich gekennzeichnet.

a, Standardabweichung des Mittelwerts der in Abb. 5a gezeigten Anhangsdaten. b: Mikrotiterplattenbasierte Bindung von WT- und Mutantenstämmen, die ein Plasmid tragen, das die E. coli-Diguanylatcyclase dgcZ von einem IPTG-induzierbaren Promotor exprimiert, und verschiedene bifA-Allele von einem Cumate-induzierbaren Promotor (EV, Kontrollplasmid). Die BifA-Expression wurde nicht induziert, die dgcZ-Expression wurde mit 100 µM IPTG induziert. H6-335-P1 wurde in den angegebenen Konzentrationen hinzugefügt. Die Bindung wurde nach 9,5 Stunden quantifiziert. Dargestellt sind Mittelwerte zweier biologischer Replikate. c, Anordnung von α6 und α5′ des PdeL-Dimers im R- (PDB: 4LYK) und T-Zustand (PDB: 4LJ3). Reste des aktiven Zentrums und Reste, die an der Stabilisierung der T-Zustands-Konformation beteiligt sind, werden hervorgehoben und als Stabdarstellung angezeigt. d, Anordnung von α6 und α5′ des BifA-Dimers im R- (PDB: 8ARV) und modellierten T-Zustand. Reste des aktiven Zentrums und konservierte Reste, von denen postuliert wird, dass sie die T-Zustands-Konformation stabilisieren, werden hervorgehoben und als Stabdarstellung angezeigt. e,f, Standardabweichung des Mittelwerts der in Abb. 5d bzw. e gezeigten Anhangsdaten.

SCV-Bildschirm

Hefe-Zwei-Hybrid-Sieb

SCV-Suppressor-Bildschirm

Statistiken zur Strukturdatenerfassung und -verfeinerung

P. aeruginosa-Zellen, die hecE exprimieren, bleiben nach der Ausbreitung des Biofilms gebunden.

Die Zellverbreitung aus in Durchflusskammern gezüchteten Biofilmen ist ein hochgradig koordinierter Prozess.

Mutanten, denen HecE fehlt, können nach der Zellverbreitung keinen reifen Biofilm aufrechterhalten.

Mutanten, denen BifA fehlt, unterliegen einer vorzeitigen Biofilmbildung und Zellverteilung.

Mutanten, denen WspR fehlt, können nach der Zellverteilung keinen reifen Biofilm aufrechterhalten.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Manner, C., Dias Teixeira, R., Saha, D. et al. Ein genetischer Schalter steuert die Oberflächenbesiedlung von Pseudomonas aeruginosa. Nat Microbiol (2023). https://doi.org/10.1038/s41564-023-01403-0

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Eingegangen: 19. Oktober 2022

Angenommen: 05. Mai 2023

Veröffentlicht: 08. Juni 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41564-023-01403-0

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