Erforschung der Rolle von Schwefelwasserstoff bei der Expression von Eisenaufnahmegenen in E. coli

Antibiotikaresistenz und oxidative Stressreaktionen sind wichtige biologische Mechanismen, die das Gedeihen von Bakterien, insbesondere pathogenen Bakterien wie Escherichia coli, unterstützen. Schwefelwasserstoff (H2S), ein chemisches Botenmolekül, reguliert verschiedene intrazelluläre Aktivitäten in Bakterien, beispielsweise Reaktionen auf oxidativen Stress und Antibiotika.

Beim pathogenen Bakterium Vibrio cholerae wurde eine durch intrazelluläre H2S-Spiegel ausgelöste erhöhte Eisenaufnahme festgestellt, die zu seiner Reaktion auf oxidativen Stress beiträgt. Der genaue Mechanismus hinter den H2S-abhängigen zellulären Reaktionen von E. coli bleibt jedoch unklar.

Ein Forscherteam unter der Leitung von Professor Shinji Masuda vom Department of Life Science & Technology des Tokyo Institute of Technology, Japan, hat versucht, den zugrunde liegenden Mechanismus und die Beziehung zwischen intrazellulärem H2S und der Eisenaufnahme in E. coli aufzuklären. Sie nutzten einen genetisch manipulierten Wildtyp-(WT)-E.-coli-Stamm, der mstA überexprimiert, das für das Enzym 3-Mercaptopyruvat-Schwefeltransferase kodiert, das für die Produktion von H2S verantwortlich ist.

Darüber hinaus verwendeten sie fortschrittliche genetische Sequenzierungstechniken und -tests, um die molekularen Wege zu identifizieren, die an der Gesamtregulierung der Eisenaufnahme als Reaktion auf die H2S-Verfügbarkeit beteiligt sind. Ihre Ergebnisse wurden in der veröffentlicht mBio Zeitschrift.

Masuda erläutert die Motivation und das Grundprinzip der vorliegenden Forschung und erklärt: „Unsere Forschungsgruppe hatte zuvor den H2S-/Supersulfid-responsiven Transkriptionsfaktor SqrR vom Arsen-Repressor-Typ im violetten photosynthetischen Bakterium Rhodobacter capsulatus identifiziert und charakterisiert, in dem SqrR die Genexpression regulierte.“ Reaktion auf H2S-Verfügbarkeit.

„Es wurde auch berichtet, dass YgaV, das SqrR-Homolog in E. coli, die Transkription anaerober Atmungsgene in Abwesenheit von extrazellulärem Sulfid unterdrückt. Dies motivierte unser Team, den Zusammenhang zwischen intrazellulärem H2S, YgaV-abhängiger Transkription und Eisenaufnahme weiter zu untersuchen.“ in E. coli.“

Zunächst beobachteten die Forscher, dass der WT-Stamm, der mstA überexprimierte, erhöhte Mengen an intrazellulärem H2S erzeugte, was zu einer deutlich höheren Antibiotikaresistenz führte. Anschließend führten sie eine RNA-Sequenzanalyse durch und stellten fest, dass bestimmte Gene als Reaktion auf die Überproduktion von H2S hochreguliert wurden. Sie stellten einen 10-fachen Anstieg der genetischen Transkriptmengen von tcyP fest, das den L-Cystein-Transporter (eine schwefelhaltige Aminosäure) kodiert.

Darüber hinaus fanden sie heraus, dass das Cysteinyl-tRNA-Synthase-Gen, das die Synthese von Supersulfid-Molekülen mit selbstverknüpften Schwefelatomen katalysiert, besonders hochreguliert war. Supersulfide können β-Lactam-Antibiotika direkt inaktivieren und zur allgemeinen Antibiotikaresistenz in E. coli mit mstA-Überexpression beitragen.

Darüber hinaus wurden im WT-Stamm, der mstA überexprimiert, mit Antibiotika-Effluxpumpen assoziierte Gene hochreguliert und Dipeptid-/Häm-Transportergene herunterreguliert, was auf den Einfluss der H2S-Hyperakkumulation auf die Eisenaufnahme hinweist.

Darüber hinaus bestätigten die Forscher die Rolle von YgaV, einem H2S-/Supersulfid-responsiven Transkriptionsfaktor, bei der Hochregulierung der Eisenaufnahmegene in E. coli. Durch die Verwendung eines ΔygaV-Mutantenstamms von E. coli, bei dem ygaV nicht, aber mstA überexprimiert wird, entdeckten sie, dass die Expression von Eisenaufnahmegenen, nämlich fes, fepA, fhuE, fhuF, nfeF und cirA, von der Anwesenheit von abhängt YgaV, das wiederum von den intrazellulären H2S-Spiegeln abhängt.

„Unsere Studie liefert wertvolle Einblicke in die Eisenaufnahmedynamik in E. coli und untermauert die Rolle des H2S-abhängigen YgaV bei der Regulierung der gesamten Reaktion auf oxidativen Stress und der Antibiotikaresistenz“, schließt Masuda.