1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Молекулярная биология
  4. T. 57, № 6, 2023

Молекулярная биология, 2023, T. 57, № 6, стр. 965-978

Изменения активности антиоксидантных систем Escherichia coli при фосфатном голодании

Г. В. Смирнова a, А. В. Тюленев a, Н. Г. Музыка a, Л. В. Сутормина a, О. Н. Октябрьский a, *

a Институт экологии и генетики микроорганизмов, “Пермский федеральный исследовательский центр” Уральского отделения Российской академии наук
614081 Пермь, Россия

* E-mail: oktyabr@iegm.ru

Поступила в редакцию 20.04.2023
После доработки 02.06.2023
Принята к публикации 02.06.2023

Аннотация

Изучены изменения активности антиоксидантных систем у бактерий Escherichia coli при фосфатном голодании. Показано, что голодание сопровождалось снижением интенсивности дыхания, увеличением скорости продукции супероксида и падением уровня АТР. Одновременно наблюдалось снижение H2O2 в среде и значительное увеличение экспрессии генов katG и katE, кодирующих соответственно каталазы HPI и HPII. В то же время не отмечено падения мембранного потенциала, что может свидетельствовать о сохранении нормальной активности мембран в голодающих клетках. Впервые показано, что переход E. coli к голоданию по фосфату сопровождается значительными изменениями статуса глутатиона. Наиболее важные из них связаны со снижением уровня восстановленного глутатиона (GSH) в среде и с одновременным увеличением его содержания в цитоплазме, а также сдвигом соотношения восстановленный/окисленный глутатион в цитоплазме (GSHin/GSSGin) в сторону редуктивных значений, а в культуральной среде (GSHout/GSSGout) – в сторону оксидативных значений. Среди используемых в работе мутантов выделялся двойной мутант gor trxB, дефицитный по синтезу глутатионредуктазы и тиоредоксинредуктазы. По сравнению с родительским штаммом этот мутант показывал многократно более высокую экспрессию katG::lacZ, наибольший уровень окисленного внутри- и внеклеточного глутатиона и соответственно самое низкое соотношение GSH/GSSG в обоих компартментах. В целом, полученные данные свидетельствуют о том, что при фосфатном голодании взаимодействие редокс-системы глутатиона и регулонов, контролирующих защиту от активных форм кислорода (АФК), создает условия, позволяющие поддерживать концентрацию последних ниже токсического уровня. В результате голодающие по фосфату клетки E. coli могут длительное время сохранять высокую жизнеспособность, позволяющую им быстро возобновлять рост после добавления фосфата.

Ключевые слова: антиоксидантная система, Escherichia coli, фосфатное голодание

Список литературы

  1. Sevilla E., Bes M.T., Gonzalez A., Peleato M.L., Fillat M.F. (2019) Redox-based transcriptional regulation in prokaryotes: revisiting model mechanisms. Antioxid. Redox Signal. 30, 1651–1696. https://doi.org/10.1089/ars.2017.7442

  2. Imlay J.A. (2008) Cellular defenses against superoxide and hydrogen peroxide. Ann. Rev. Biochem. 77, 755–776. https://doi.org/10.1146/annurev.biochem.77.061606.161055

  3. Смирнова Г.В., Октябрьский О.Н. (2005) Глутатион у бактерий. Биохимия. 70, 1459– 1473.

  4. Vlamis-Gardikas A. (2008) The multiple functions of the thiol-based electron flow pathways of Escherichia coli: eternal concepts revised. Biochim. Biophys. Acta. 1780, 1170–1200. https://doi.org/10.1016/j.bbagen.2008.03.013

  5. Smirnova G., Muzyka N., Oktyabrsky O. (2012) Transmembrane glutathione cycling in growing Escherichia coli cells. Microbiol. Res. 167, 166–172. https://doi.org/10.1016/j.micres.2011.05.005

  6. Carmel-Harel O., Storz G. (2000) Roles of the glutathione- and thioredoxin-dependent reduction systems in the Escherichia coli and Saccharomyces cerevisiae responses to oxidative stress. Annu. Rev. Microbiol. 54, 439–461. https://doi.org/10.1146/annurev.micro.54.1.439

  7. Wanner B.L. (1996) Phosphorus assimilation and control of the phosphate regulon. In: Escherichia coli and Salmonella: Cellular and Molecular Biology. Eds Neidhardt F.C., Curtiss III R., Ingraham J.L., Lin E.C.C., Low K.B., Magasanik B., Reznikoff W.S., Riley M., Schaechter M., Umbrager H.E. Washington DC: Am. Soc. Microbiol., pp. 1357–1381.

  8. Lamarche M.G., Wanner B.L., Crepin S., Harel J. (2008) The phosphate regulon and bacterial virulence: a regulatory network connecting phosphate homeostasis and pathogenesis. FEMS Microbiol. Rev. 32(3), 461–473. https://doi.org/10.1111/j.1574-6976.2008.00101.x

  9. VanBogelen R.A., Olson E.R., Wanner B.L., Neidhardt F.C. (1996) Global analysis of proteins synthesized during phosphorus restriction in Escherichia coli. J. Bacteriol. 178(15), 4344–4366. https://doi.org/10.1128/jb.178.15.4344-4366.1996

  10. Gerard F., Dri A.M., Moreau P.L. (1999) Role of Escherichia coli RpoS, LexA and H-NS global regulators in metabolism and survival under aerobic, phosphate-starvation conditions. Microbiology. 145, 1547–1562. https://doi.org/10.1099/13500872-145-7-1547

  11. Moreau P.L., Gerard F., Lutz N.W., Cozzone P. (2001) Non-growing Escherichia coli cells starved for glucose or phosphate use different mechanisms to survive oxidative stress. Mol. Microbiol. 39, 1048–1060. https://doi.org/10.1046/j.1365-2958.2001.02303.x

  12. Moreau P.L. (2004) Diversion of the metabolic flux from pyruvate dehydrogenase to pyruvate oxidase decreases oxidative stress during glucose metabolism in nongrowing Escherichia coli cells incubated under aerobic, phosphate starvation conditions. J. Bacteriol. 186, 7364–7368. https://doi.org/10.1128/JB.186.21.7364-7368.2004

  13. Yuan Z.C., Zaheer R., Finan T.M. (2005) Phosphate limitation induces catalase expression in Sinorhizobium meliloti, Pseudomonas aeruginosa and Agrobacterium tumefaciens. Mol. Microbiol. 58(3), 877–894. https://doi.org/10.1111/j.1365-2958.2005.04874.x

  14. Smirnova G.V., Tyulenev A.V., Bezmaternykh K.V., Muzyka N.G., Ushakov V.Y., Oktyabrsky O.N. (2019) Cysteine homeostasis under inhibition of protein synthesis in Escherichia coli cells. Amino Acids. 51, 1577–1592. https://doi.org/10.1007/s00726-019-02795-2

  15. Park S., Imlay, J.A. (2003) High levels of intracellular cysteine promote oxidative DNA damage by driving the Fenton reaction. J. Bacteriol. 185, 1942–1950. https://doi.org/10.1128/JB.185.6.1942-1950.2003

  16. Imlay K.R.C., Korshunov S., Imlay J.A. (2015) The physiological roles and adverse effects of the two cystine importers of Escherichia coli. J. Bacteriol. 197, 3629–3644. https://doi.org/10.1128/JB.00277-15

  17. Korshunov S., Imlay K.R.C., Imlay J.A. (2020) Cystine import is a valuable but risky process whose hazards Escherichia coli minimizes by inducing a cysteine exporter. Mol. Microbiol. 113, 22–39. https://doi.org/10.1111/mmi.14403

  18. Baba T., Ara T., Hasegawa M., Takai Y., Okumura Y., Baba M., Datsenko K.A., Tomita M., Wanner B.L., Mori H. (2006) Construction of Escherichia coli K-12 in-frame, single-gene knockout mutants: the Keio collection. Mol. Syst. Biol. 2, 2006.0008. https://doi.org/10.1038/msb4100050

  19. Tao K., Makino K., Yonei S., Nacata A., Shinagawa H. (1989) Molecular cloning and nucleotide sequencing of oxyR, the positive regulatory gene of a regulon for an adaptive response to oxidative stress in Escherichia coli: homologies between OxyR protein and a family of bacterial activator proteins. Mol. Gen. Genet. 218, 371–376. https://doi.org/10.1007/bf00332397

  20. Mulvey M.R., Switala J., Borys A., Loewen P.C. (1990) Regulation of transcription of katE and katF in Escherichia coli. J. Bacteriol. 172, 6713–6720. https://doi.org/10.1128/jb.172.12.6713-6720.1990

  21. Volkert M.R., Gately F.H., Hajec L.I. (1989) Expression of DNA damage-inducible genes of Escherichia coli upon treatment with methylating, ethylating and propylating agents. Mutation. Res. 217, 109–115. https://doi.org/10.1016/0921-8777(89)90062-1

  22. Maringanti S., Imlay J.A. (1999) An intracellular iron chelator pleiotropically suppresses enzymatic and growth defects of superoxide dismutase-deficient Escherichia coli. J. Bacteriol. 181, 3792–3802. https://doi.org/10.1128/JB.181.12.3792-3802.1999

  23. Neidhardt F.C., Bloch P.L., Smith D.F. (1974) Culture medium for enterobacteria. J. Bacteriol. 119, 736–747. https://doi.org/10.1128/jb.119.3.736-747.1974

  24. Wickens H.J., Pinney R.J., Mason D.J., Gant V.A. (2000) Flow cytometric investigation of filamentation, membrane patency and membrane potential in Escherichia coli following ciprofloxacin exposure. Antimicrob. Agents Chemother. 44, 682–687. https://doi.org/10.1128/AAC.44.3.676-681.2000

  25. Smirnova G.V., Muzyka N.G., Ushakov V.Y., Tyulenev A.V., Oktyabrsky O.N. (2015) Extracellular superoxide provokes glutathione efflux from Escherichia coli cells. Res. Microbiol. 166, 609–617. https://doi.org/10.1016/j.resmic.2015.07.007

  26. Korshunov S., Imlay J.A. (2006) Detection and quantification of superoxide formed within the periplasm of Escherichia coli. J. Bacteriol. 188, 6326–6334. https://doi.org/10.1128/JB.00554-06

  27. Seaver L.C., Imlay J.A. (2001) Alkyl hydroperoxide reductase is the primary scavenger of endogenous hydrogen peroxide in Escherichia coli. J. Bacteriol. 183, 7173–7181. https://doi.org/10.1128/JB.183.24.7173-7181.2001

  28. Tietze F. (1969) Enzymic method for quantitative determination of nanogram amounts of total and oxidized glutathione: applications to mammalian blood and ot-her tissues. Anal. Biochem. 27, 502–522. https://doi.org/10.1016/0003-2697(69)90064-5

  29. Miller J.H. (1972) Experiments in Molecular Genetics. Cold Spring Harbor, New York: Cold Spring Harbor Lab. Press.

  30. Ivanova A., Miller C., Glinsky G., Eisenstark A. (1994) Role of the rpoS(katF) in oxyR independent regulation of hydroperoxidase I in Escherichia coli. Mol. Microbiol. 12, 571–578. https://doi.org/10.1111/j.1365-2958.1994.tb01043.x

  31. Ihssen J., Egli T. (2004) Specific growth rate and not cell density controls the general stress response in Escherichia coli. Microbiology. 150, 1637–1648. https://doi.org/10.1099/mic.0.26849-0

  32. Imlay J.A., Linn S. (1988) Toxic DNA damage by hydrogen peroxide through the Fenton reaction in vivo and in vitro. Science. 240, 640–642. https://doi.org/10.1126/science.2834821

  33. Hantke K. (2001) Iron and metal regulation in bacteria. Curr. Opin. Microbiol. 4, 172–177. https://doi.org/10.1016/s1369-5274(00)00184-3

  34. Maslowska K.H., Makiela-Dzbenska K., Fijalkowska I.J. (2019) The SOS system: a complex and tightly regulated response to DNA damage. Environ. Mol. Mutagen. 60, 368–384. https://doi.org/10.1002/em.22267

  35. Tyulenev A.V., Smirnova G.V., Muzyka N.G., Ushakov V.Y., Oktyabrsky O.N. (2018) The role of sulfides in stress-induced changes of Eh in Escherichia coli cultures. Bioelectrochemistry. 121, 11–17. https://doi.org/10.1016/j.bioelechem.2017.12.012

  36. Smirnova G.V., Tyulenev A.V., Muzyka N.G., Oktyabrsky O.N. (2018) The sharp phase of respiratory inhibition during amino acid starvation in Escherichia coli is RelA-dependent and associated with regulation of ATP synthase activity. Res. Microbiol. 169, 157–165. https://doi.org/10.1016/j.resmic.2018.02.003

  37. Owens R.A., Hartman P.E. (1986) Export of glutathione by some widely used Salmonella typhimurium and Escherichia coli strains. J. Bacteriol. 168, 109–114. https://doi.org/10.1128/jb.168.1.109-114.1986

  38. Imlay J.A. (2013) The molecular mechanisms and physiological consequences of oxidative stress: lessons from a model bacterium. Nat. Rev. Microbiol. 11, 443–454. https://doi.org/10.1038/nrmicro3032

  39. Aslund F., Zheng M., Beckwith J., Storz G. (1999) Regulation of the OxyR transcription factor by hydrogen peroxide and the cellular thiol-disulfide status. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 96, 6161–6165. https://doi.org/10.1073/pnas.96.11.6161

  40. Smirnova G.V., Tyulenev A.V., Muzyka N.G., Peters M.A., Oktyabrsky O.N. (2017) Ciprofloxacin provokes SOS-dependent changes in respiration and membrane potential and causes alterations in the redox status of Escherichia coli. Res. Microbiol. 168, 64–73. https://doi.org/10.1016/j.resmic.2016.07.008

  41. Smirnova G.V., Tyulenev A.V., Muzyka N.G., Oktyabrsky O.N. (2022) Study of the contribution of active defense mechanisms to ciprofloxacin tolerance in Escherichia coli growing at different rates. Antonie Van Leeuwenhoek. 115, 233–251. https://doi.org/10.1007/s10482-021-01693-6

  42. Smirnova G., Tyulenev A., Muzyka N., Ushakov V., Samoilova Z., Oktyabrsky O. (2023) Influence of growth medium composition on physiological responses of Escherichia coli to the action of chloramphenicol and ciprofloxacin. BioTech. 12, 43. https://doi.org/10.3390/biotech12020043

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Молекулярная биология

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал