Persisters: a distinct physiological state of E. coli

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Shah D, Zhang Z, Khodursky A, Kaldalu N, Kurg K, Lewis K.

BMC Microbiol. 2006 Jun 12;6:53.

doi: 10.1186/1471-2180-6-53. PMID: 16768798; PMCID: PMC1557402.

Persisters: a distinct physiological state of E. coli
Background Bacterial populations contain persisters, phenotypic variants that constitute approximately 1% of cells in stationary phase and biofilm cultures. Mul...

 パーシスターは、これまでに研究されたすべての細菌集団に存在する多剤耐性細胞である。パーシスターは突然変異体ではなく、野生型の表現型の変種である。大腸菌のパーシスターの数は、対数増殖期の初期段階では一定であるが、対数増殖期の後期および定常期の初期段階になると顕著に増加する。ケモスタットでの培養と同様に、対数増殖期で繰り返し細胞を新鮮な培地で希釈して増殖させると、パーシスターが完全に消失した。この結果は、パーシスターが細胞周期の特定の段階にあるわけではなく、抗生物質に反応して生成されるわけでもないことを示している。細胞の成長をモニターするためにマイクロ流体デバイスを用いた最近の研究では、パーシスターは、集団の中にあらかじめ存在する、まれにしか成長しない細胞であることが示された。パーシスターは、先進国における感染症の大部分を占めるバイオフィルムの多剤耐性を担っている。

 我々は以前、アンピシリンで溶解したEscherichia coli hipA7(high persistence)変異体の培養液からパーシスターを分離したことを報告した。無傷のパーシスターを採取し、その遺伝子発現プロファイルを調べたところ、染色体上の毒素-抗毒素(toxin-antitoxin: TA)モジュールが過剰に発現していることがわかった。「毒素」は、翻訳などの必須機能を阻害することで可逆的な機能停止を引き起こすもので、多剤耐性遺伝子の有望な候補として登場した。RelEやHipAを過剰発現させると,パーシスターが急激に上昇した。一方、hipBAモジュールを欠損させると、定常期とバイオフィルムの両方でパーシスターの数が大幅に減少した。hipBAモジュールを欠失させた変異体は、対数増殖期においても、最小培地で培養した場合においても、パーシスターの形成に変化は見られなかった。このことから、パーシスターの形成は、特定の条件に依存する冗長な遺伝子によって支配されていることが示唆される(実際、大腸菌には10種類以上のTAモジュールが存在する)。しかし、パーシスターの性質を理解する上での最大の障害は、1944年にパーシスターが発見されて以来、このとらえどころのない細胞を、抗生物質を使わずに野生型の集団から分離することができなかったことであった。

 我々は、パーシスターが翻訳レベルの低い休眠細胞であるという仮説を立て、増殖速度に依存したプロモーターから発現される不安定なGFPを十分に含まないdim E. coli 細胞を選別した。このdim細胞は、抗生物質に耐性があり、対数増殖期や定常期の細胞とは明らかに異なる遺伝子発現プロファイルを示した。毒素-抗毒素モジュールタンパク質をコードする遺伝子がパーシスターで発現しており、この状態の一因であると考えられる。本研究では、パーシスターの分離方法を報告し、これらの細胞が対数増殖期細胞や定常期細胞とは異なる、第3の生理的状態であると結論づけた。

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