Persister cells resuscitate using membrane sensors that activate chemotaxis, lower cAMP levels, and revive ribosomes

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Yamasaki R, Song S, Benedik MJ, Wood TK.

iScience. 2020 Jan 24;23(1):100792.

doi: 10.1016/j.isci.2019.100792. Epub 2019 Dec 21. PMID: 31926430; PMCID: PMC6957856.

Persister Cells Resuscitate Using Membrane Sensors that Activate Chemotaxis, Lower cAMP Levels, and Revive Ribosomes
Persistence, the stress-tolerant state, is arguably the most vital phenotype since nearly all cells experience nutrient stress, which causes a sub-pop…

 パーシスターの表現型は、1942年にpenicillinで培養液中の黄色ブドウ球菌を完全に殺菌できなかったときに初めて指摘された(集団の1%がそのまま残っていた)。生き残った亜集団は、1944年に「パーシスター」と定義づけられた。パーシスターは突然変異体ではなく、休眠状態を通じて抗生物質耐性を獲得することが明らかになった。

 パーシスターの表現型はユビキタスであり、大腸菌、緑膿菌、黄色ブドウ球菌などの多くの細菌や、古細菌ではよく説明されている。パーシスター状態は抗生物質ストレス後に生じるだけでなく、栄養ストレスもパーシスターを作り出す。実際、古典的な生存可能だが培養できない状態(viable but not culturable state)は、パーシスター状態と同じであるように見えるので、すべての細菌細胞が最終的に栄養ストレスに直面するように、どこでもパーシスターが形成される。したがって、パーシスター状態は、最も基本的な細菌の表現型の1つであると言えるかもしれない。

 パーシスターがどのように形成されるかは議論の余地がある。トキシン/アンチトキシン系の毒素の活性化による代謝の低下から形成されると主張されている。その証拠に、MqsR、TisB、YafQなどの毒素/反毒素系の毒素を欠損させると、パーシスターが減少する。同様に、トキシン/アンチトキシン系とは無関係の毒素の生産も、残留性を高める可能性がある。しかし最近の研究では、トキシン/アンチトキシン系とpersistanceの間に関連性は見出せなかった。別のモデルとして、グアノシン五リン酸/四リン酸が上昇した結果、二量体化によるリボソームの不活性化からパーシスター細胞が形成されることを示唆している。

 細胞がどのように蘇生するかは、細胞がどのように形成されるかよりもよく理解されている。私たちは、パーシスターが豊富な培地で瞬時に蘇生し、リボソームの含有量に基づいて覚醒することを発見した。例えば、リボソームが4倍少ないパーシスター細胞は、リボソーム量が増える一方で、その蘇生が数時間遅れる。栄養感知に関して、パーシスターの覚醒にどのような経路が関与しているかはまだ明らかになっていない。

 パーシスターを研究するには、その濃度を高めて、パーシスターが支配的な表現型となるようにする必要がある。以前、私たちは、転写を停止させるrifampicinの前処理、ATP産生を停止させるcarbonyl cyanide m-chlorophenylhydrazone(CCCP)、翻訳を停止させるtetracyclineを用いて、大腸菌のパーシスターを高い割合(最大70%)で作り出す方法を示した。これらの細胞は、8つの異なるアッセイ(多剤耐性、栄養存在下でのパーシスターから非パーシスターへの即時変化、栄養非存在下での細胞分裂の欠如に基づく休眠、代謝染色および細胞選別により決定される休眠、対数増殖期細胞と比較したMIC、抵抗性表現型、ampicillin誘発性パーシスターと同様の形態・蘇生)により、真のパーシスターであることが示された。少なくとも他の6つの研究グループが、私たちの方法を用いてパーシスターを作っている。例えば、Cui et al., 2018は、大腸菌Keioライブラリのスクリーニングにrifampinとtetracyclineを用いてパーシスターを誘導し、パーシスター数が低下したいくつかのDNA修復変異体(recArecCruvAuvrDなど)を発見し、Grassi et al. 2017は、CCCPを用いてP. aeruginosaS. aureusのパーシスターを生成し、抗生物質耐性の表現型が異なるクラスの抗生物質に依存することを明らかにし、Narayanaswamy et al. 2018は、CCCPを用いてP. aeruginosaのパーシスターを生成し、poly (acetyl, arginyl) glucosamineがその死滅に有効であることを明らかにした。

 本研究では、大腸菌のパーシスターは、自発的にではなく、特定の炭素源が提示されたときに主に蘇生することを、単一細胞の観察から明らかにした。また、パーシスターの覚醒のメカニズムは、走化性やリン酸転移酵素の膜タンパク質による栄養分の感知によるものであることを明らかにした。さらに、栄養分の輸送により、enzyme IIAを介して二次メッセンジャーであるcAMPのレベルが低下し、このcAMPレベルの低下がリボソームの蘇生と救出につながることがわかった。蘇生した細胞は、すぐに栄養分に向かって走化性を開始するが、鞭毛の動きは起床に必要ではない。つまり、パーシスター細胞は、膜の受容体を介して栄養素を感知し、そのシグナルをcAMPを介してリボソームに伝達することで覚醒し、パーシスターは覚醒後に走化性を利用して栄養素を獲得するのである。

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