Current Biology：剪切流+过氧化氢组合阻碍细菌迁移和生长

文摘 2024-11-27 08:03 瑞士

原文献信息：Sharma, A.; Shuppara, A. M.; Padron, G. C.; Sanfilippo, J. E. Combining multiple stressors blocks bacterial migration and growth. Curr Biol 2024.

摘要：

在自然环境中，生物体会遭受多种应激因素的组合作用。然而，实验室研究通常使用简化的批量培养，集中于个别应激因素对种群水平的影响。近年来，研究者利用微流控技术以单细胞分辨率研究细菌应激反应。本文中，我们采用微流控方法同时施加物理应激（剪切流）和化学应激（H₂O₂）于人类病原体铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）。通过模拟人类宿主组织中常见的流速和H₂O₂浓度，本文发现以往研究显著高估了阻止细菌生长所需的H₂O₂浓度。具体而言，我们发现剪切流使H₂O₂的效力提高了50倍，从而解释了缺少流动条件的以往研究为何需要更高浓度的H₂O₂。利用自然水平的H₂O₂，我们确定了核心H₂O₂调节子，表征了OxyR介导的动态调控，并证明了多个H₂O₂清除系统具有冗余作用。在研究单细胞行为的过程中，我们意外发现H₂O₂和流动的组合作用阻止了由菌毛驱动的表面迁移。因此，我们的研究结果与以往研究相悖，揭示了自然水平的H₂O₂和剪切流协同作用以限制细菌的运动性和存活能力。通过同时研究两个应激因素，我们的研究强调了过度简化自然环境的局限性，并表明物理和化学应激的结合可能导致不可预测的效应。

主要内容：

铜绿假单胞菌诱导了一个小而明确的H₂O₂调节子

本研究探讨了宿主相关水平的H₂O₂对铜绿假单胞菌的影响，发现低微摩尔剂量的H₂O₂足以改变其基因表达，诱导17个基因上调和3个基因下调。与以往使用高浓度H₂O₂的研究比较，发现下调基因无共性，而上调基因中仅少数在多个研究中重叠。使用宿主相关的微摩尔H₂O₂浓度识别的大多数基因表明低浓度足以触发应激反应。进一步分析发现，9个满足条件的基因中7个与H₂O₂保护有关，且其中2个基因在处理前已高表达，其他5个基因在处理后高表达。综上，铜绿假单胞菌在宿主相关的H₂O₂应激下诱导了一个小型、高表达的基因组调节子。

宿主相关水平的H₂O₂触发动态的OxyR介导的基因表达

铜绿假单胞菌上调的蛋白质可保护细胞免受H₂O₂影响，其中KatA、KatB、AhpC和AhpF等是关键酶。H₂O₂感知由OxyR介导，我们发现在相关启动子区域存在OxyR结合位点，实验验证OxyR调控katB表达。因此，OxyR在调控H₂O₂调节子中起核心作用。

H₂O₂与其他宿主相关应激因素如何协同影响细菌？

我们利用微流控技术研究H₂O₂和剪切流对细菌的影响，发现铜绿假单胞菌katB基因在8 μM H₂O₂和800 s⁻¹剪切流作用下动态诱导，40分钟时达到峰值。ΔoxyR突变体无诱导现象，表明OxyR调控H₂O₂和流动联合作用下的动态转录反应。

剪切流和H₂O₂联合抑制铜绿假单胞菌的表面迁移

在微流控设备中，我们发现H₂O₂抑制铜绿假单胞菌的抽动运动，且抑制效果随H₂O₂浓度增加而增强，剪切流是H₂O₂抑制抽动所必需的。此外，我们测试了H₂O₂敏感基因的作用，发现缺乏菌毛或菌毛收缩功能的突变体无抽动行为，而缺乏部分H₂O₂敏感基因的突变体与野生型相似，但三基因缺失突变体及ΔoxyR细胞抽动行为极少。这些结果表明，铜绿假单胞菌使用冗余系统来抵御H₂O₂的影响，且对H₂O₂的响应能力对其在流动条件下的表面迁移至关重要。

剪切流与H₂O₂联合抑制铜绿假单胞菌的生长

研究发现，在剪切流环境下，即使是低浓度的H₂O₂也会抑制铜绿假单胞菌的生长，且抑制效果随剪切速率增加而增强。生长抑制是可逆的，并非由细胞死亡引起。铜绿假单胞菌的H₂O₂清除系统及其上调能力是细胞在流动中生长所必需的，且这些系统具有冗余性。缺乏多个清除系统或调控因子的突变体细胞在流动中不表现出生长。综上所述，H₂O₂和剪切流协同抑制了铜绿假单胞菌的抽动运动和细胞生长。

文中图表：

微生物生态 iMcro

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