Регуляторные эффекты полиаминов и индола на экспрессию факторов гибернации рибосом у Escherichia coli на уровне трансляции

Полиамины и индол – регуляторные молекулы, которые участвуют в адаптации к стрессу у бактерий, включая регуляцию генной экспрессии. Гены, трансляция которых находится под регуляторным влиянием полиаминов, составляют полиаминовый модулон. Ранее нами показано, что полиамины стимулируют транскрипцию генов, кодирующих факторы гибернации рибосом RMF, RaiA, SRA, EttA, RsfS у Escherichia coli, а эффект индола ограничивался лишь двумя из них – raiA и rmf. Факторы гибернации рибосом обратимо ингибируют трансляцию в условиях стресса с целью экономии клеточных ресурсов, играя ключевую роль в выживании бактерий, в том числе при воздействии антибиотиков. Данная работа посвящена изучению влияния индола на экспрессию генов raiA и rmf на трансляционном уровне, а также регуляторных эффектов полиаминов путресцина, кадаверина и спермидина на трансляцию генов rmf, raiA, sra, ettA, rsfS. Проанализировав первичные структуры мРНК, а также полученные с помощью программы RNAfold модели вторичных структур мРНК, мы установили, что все исследуемые гены имеют специфические признаки полиаминового модулона. Для изучения влияния полиаминов и индола на трансляцию исследуемых генов были сконструированы трансляционные репортерные lacZ-слияния с использованием pRS552/λRS45 системы. Согласно полученным результатам, полиамины стимулируют экспрессию «стационарно-фазных» генов rmf, raiA, sra, но не оказывают влияния на трансляцию генов ettA и rsfS, наибольшая экспрессия которых наблюдается в экспоненциальной фазе роста. Стимулирующий эффект специфичен для различных полиаминов и во всех случаях наблюдается в стационарной фазе, когда клетки подвержены множественному стрессорному воздействию. Кроме того, полученные данные демонстрируют значительный ингибирующий эффект индола на экспрессию raiA и rmf на уровне трансляции, несмотря на его стимулирующее действие на транскрипцию данных генов, что может являться признаком функционирования посттранскрипционного механизма их регуляции. 

1. Balaban N.Q., Helaine S., Lewis K., Ackermann M., Aldridge B., Andersson D.I., Brynildsen M.P., Bumann D., Camilli A., Collins J.J., Dehio C., Fortune S., Ghigo J.-M., Hardt W.-D., Harms A., Heinemann M., Hung D.T., Jenal U., Levin B.R., Michiels J., Storz G., Tan M.-W., Tenson T., Melderen L.V., Zinkernagel A. Definitions and guidelines for research on antibiotic persistence. Nat. Rev. Microbiol. 2019;17(7):441-448. DOI 10.1038/s41579-019-0196-3

2. Datsenko K.A., Wanner B.L. One-step inactivation of chromosomal genes in Escherichia coli K-12 using PCR products. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2000;97(12):6640-6645. DOI 10.1073/pnas.120163297

3. Gaimster H., Cama J., Hernández-Ainsa S., Keyser U.F., Summers D.K. The indole pulse: a new perspective on indole signalling in Escherichia coli. PLoS One. 2014;9(4):e93168. DOI 10.1371/journal.pone.0093168

4. Igarashi K., Kashiwagi K. Polyamine modulon in Escherichia coli: genes involved in the stimulation of cell growth by polyamines. J. Biochem. 2006;139(1):11-16. DOI 10.1093/jb/mvj020

5. Igarashi K., Kashiwagi K. Effects of polyamines on protein synthesis and growth of Escherichia coli. J. Biol. Chem. 2018;293(48): 18702-18709. DOI 10.1074/jbc.TM118.003465

6. Keseler I.M., Gama-Castro S., Mackie A., Billington R., Bonavides-Martinez C., Caspi R., Kothari A., Krummenacker M., Midford P.E., Muñiz-Rascado L., Ong W.K., Paley S., Santos-Zavaleta A., Subhraveti P., Tierrafría V.H., Wolfe A.J., Collado-Vides J., Paulsen I.T., Karp P.D. The EcoCyc database in 2021. Front. Microbiol. 2021;12: 711077. DOI 10.3389/fmicb.2021.711077

7. Khaova E.A., Kashevarova N.M., Tkachenko A.G. Regulatory effect of polyamines and indole on expression of stress adaptation genes in Escherichia coli. Acta Biomedica Scientifica. 2022;7(3):150-161. DOI 10.29413/ABS.2022-7.3.16 (in Russian)

8. Kim C.S., Li J.H., Barco B., Park H.B., Gatsios A., Damania A., Wang R., Wyche T.P., Piizzi G., Clay N.K., Crawford J.M. Cellular stress upregulates indole signaling metabolites in Escherichia coli. Cell Chem. Biol. 2020;27(6):698-707.e7. DOI 10.1016/j.chembiol.2020.03.003

9. Kusano T., Berberich T., Tateda C., Takahashi Y. Polyamines: essential factors for growth and survival. Planta. 2008;228(3):367-381. DOI 10.1007/s00425-008-0772-7

10. Lang M., Krin E., Korlowski C., Sismeiro O., Varet H., Coppée J.Y., Mazel D., Baharoglu Z. Sleeping ribosomes: bacterial signaling triggers RaiA mediated persistence to aminoglycosides. iScience. 2021; 24(10):103128. DOI 10.1016/j.isci.2021.103128

11. Lee J.H., Wood T.K., Lee J. Roles of indole as an interspecies and interkingdom signaling molecule. Trends Microbiol. 2015;23(11):707-718. DOI 10.1016/j.tim.2015.08.001

12. Lewis K. Persister cells. Annu. Rev. Microbiol. 2010;64:357-372. DOI 10.1146/annurev.micro.112408.134306

13. Li G., Young K.D. Indole production by the tryptophanase TnaA in Escherichia coli is determined by the amount of exogenous tryptophan. Microbiology (Reading). 2013;159(2):402-410. DOI 10.1099/mic.0.064139-0

14. Lightfoot H.L., Hall J. Endogenous polyamine function – the RNA perspective. Nucleic Acids Res. 2014;42(18):11275-11290. DOI 10.1093/nar/gku837

15. Lorenz R., Bernhart S.H., Siederdissen C., Tafer H., Flamm C., Stadler P.F., Hofacker I.L. ViennaRNA Package 2.0. Algorithms Mol. Biol. 2011;6:26. DOI 10.1186/1748-7188-6-2

16. Michael A.J. Polyamines in eukaryotes, bacteria, and archaea. J. Biol. Chem. 2016;291(29):14896-14903. DOI 10.1074/jbc.R116.734780

17. Michael A.J. Polyamine function in archaea and bacteria. J. Biol. Chem. 2018;293(48):18693-18701. DOI 10.1074/jbc.TM118.005670

18. Miller J.H. Experiments in Molecular Genetics. New York, 1972 Miller-Fleming L., Olin-Sandoval V., Campbell K., Ralser M. Remaining mysteries of molecular biology: the role of polyamines in the cell. J. Mol. Biol. 2015;427(21):3389-3406. DOI 10.1016/j.jmb.2015.06.020

19. Nesterova L.Y., Akhova A.V., Tkachenko A.G. Influence of indole on intracellular polyamines and antibiotic susceptibility of Escherichia coli. Vestnik Moskovskogo universiteta. Seriya 16. Biologiya = Herald of Moscow University. Series 16. Biology. 2021;76(4):219-224 (in Russian)

20. Prossliner T., Skovbo Winther K., Sørensen M.A., Gerdes K. Ribosome hibernation. Annu. Rev. Genet. 2018;52:321-348. DOI 10.1146/annurev-genet-120215-035130

21. Rhee H.J., Kim E.J., Lee J.K. Physiological polyamines: simple primordial stress molecules. J. Cell. Mol. Med. 2007;11(4):685-703. DOI 10.1111/j.1582-4934.2007.00077.x

22. Sakamoto A., Sahara J., Kawai G., Yamamoto K., Ishihama A., Uemura T., Igarashi K., Kashiwagi K., Terui Y. Cytotoxic mechanism of excess polyamines functions through translational repression of specific proteins encoded by polyamine modulon. Int. J. Mol. Sci. 2020; 21(7):2406. DOI 10.3390/ijms21072406

23. Shah P., Swiatlo E. A multifaceted role for polyamines in bacterial pathogens. Mol. Microbiol. 2008;68(1):4-16. DOI 10.1111/j.1365-2958.2008.06126.x

24. Simons R.W., Houman F., Kleckner N. Improved single and multicopy lac-based cloning vectors for protein and operon fusions. Gene. 1987;53(1):85-96. DOI 10.1016/0378-1119(87)90095-3

25. Song S., Wood T.K. ppGpp ribosome dimerization model for bacterial persister formation and resuscitation. Biochem. Biophys. Res. Commun. 2020;523(2):281-286. DOI 10.1016/j.bbrc.2020.01.102

26. Tabor C.W., Tabor H. Polyamines in microorganisms. Microbiol. Rev. 1985;49(1):81-99. DOI 10.1128/mr.49.1.81-99.1985

27. Tkachenko A.G. Molecular Mechanisms of Stress Responses in Microorganisms. Yekaterinburg, 2012 (in Russian)

28. Tkachenko A.G. Stress responses of bacterial cells as mechanisms of development of antibiotic tolerance (review). Applied Biochemistry and Microbiology. 2018;54(2):108-127. DOI 10.1134/S0003683818020114

29. Tkachenko A.G., Akhova A.V., Shumkov M.S., Nesterova L.Yu. Polyamines reduce oxidative stress in Escherichia coli cells exposed to bactericidal antibiotics. Res. Microbiol. 2012;163(2):83-91. DOI 10.1016/j.resmic.2011.10.009

30. Tkachenko A.G., Kashevarova N.M., Karavaeva E.A., Shumkov M.S. Putrescine controls the formation of Escherichia coli persister cells tolerant to aminoglycoside netilmicin. FEMS Microbiol. Lett. 2014;361(1):25-33. DOI 10.1111/1574-6968.12613

31. Tkachenko A.G., Kashevarova N.M., Tyuleneva E.A., Shumkov M.S. Stationary-phase genes upregulated by polyamines are responsible for the formation of Escherichia coli persister cells tolerant to netilmicin. FEMS Microbiol. Lett. 2017;364(9):fnx084. DOI 10.1093/femsle/fnx084

32. Trösch R., Willmund F. The conserved theme of ribosome hibernation: from bacteria to chloroplasts of plants. Biol. Chem. 2019;400(7): 879-893. DOI 10.1515/hsz-2018-0436

33. Usachev K.S., Yusupov M.M., Validov Sh.Z. Hibernation as a stage of ribosome functioning. Biochemistry (Moscow). 2020;85(11):1434-1442. DOI 10.1134/S0006297920110115

34. Zarkan A., Liu J., Matuszewska M., Gaimster H., Summers D.K. Local and universal action: the paradoxes of indole signalling in bacteria. Trends Microbiol. 2020;28(7):566-577. DOI 10.1016/j.tim.2020.02.007

35. Zhang Y. Persisters, persistent infections and the Yin-Yang model. Emerg. Microbes Infect. 2014;3(1):e3. DOI 10.1038/emi.2014.3