機械的刺激は細胞エンベロープのストレス感知経路を介して遺伝子発現を活性化します

Scientific Reports volume 13、記事番号: 13979 (2023) この記事を引用

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機械感受性メカニズムは、組織構造への損傷を感知し、マトリックスの合成と修復を刺激するためによく使用されます。この種の機械調節プロセスは真核生物系ではよく知られていますが、そのようなプロセスが細菌で起こるかどうかは知られていません。コレラ菌では、負荷を担う細胞壁に対する抗生物質誘発性の損傷により、細胞壁合成を刺激する 2 成分系 VxrAB によるシグナル伝達の増加が促進されます。今回我々は、細胞エンベロープ内の機械的ストレスの変化が、抗生物質の非存在下でVxrABシグナル伝達を刺激するのに十分であることを示す。私たちは、マイクロ流体デバイス内での押し出し荷重、直接圧縮、および静水圧という 3 つの異なる荷重方法を使用して、個々の細菌に機械的な力を加えました。いずれの場合も、蛍光タンパク質レポーターによって示されるように、より大きな機械的負荷を受けた細胞では VxrAB シグナル伝達が増加したため、さまざまな形態の機械的刺激が VxrAB シグナル伝達を活性化します。エンドペプチダーゼ ShyA の除去後の細胞エンベロープの剛性の低下により、細胞エンベロープの変形が大幅に増加し、VxrAB 応答が大幅に増加し、VxrAB の応答性がさらに裏付けられました。我々の発見は、細菌における機械感受性遺伝子制御システムを実証し、機械的シグナルが細胞壁恒常性の制御に寄与している可能性があることを示唆しています。

機械的な力は生物の成長と機能に大きく寄与するものとして長い間認識されてきました。哺乳類のシステムでは、機械的な力によって、発生中の細胞分化 1、2、疾患の開始と進行 3、組織の恒常性 4 など、さまざまなプロセスが制御されます。負荷に耐える機能を持つ組織や器官では、機械的な力が組織のリモデリングや修復を開始する主な信号として機能することが多く、それによって組織が環境の機械的課題に適応し、すぐに負荷に耐えられる状態に戻ることが可能になります。したがって、組織のリモデリングは、損傷した組織の除去と組織の合成のバランスをとることによって、機械的機能の恒常性を維持します。骨 5、血管 6、植物の細胞骨格 7,8 などの耐荷重構造は、機械的機能を維持するために機械感受性メカニズムを使用しています。

メカノバイオロジーのほとんどの研究は真核生物のシステムに焦点を当てています9が、最近の証拠は原核生物における機械的な力の重要性を強調しています。細菌では、鞭毛や IV 型線毛などの細胞外付属器が細胞体から伸びて、環境内の機械的合図を感知して応答します。べん毛モーターユニットの組み立てと分解は、外部の機械的負荷の増減に応答します10、11。表面との接触によるべん毛の回転の物理的阻害により、分子モーター内に反力が生成され、表面接着とバイオフィルム形成が刺激されます 12,13。 IV 型線毛は、環境と相互作用するために伸びたり縮んだりするモーター駆動の線維です。さらに、IV 型線毛による機械感知は、バイオフィルムの形成 14 と病原性因子の放出 15 を促進し、衝突後の運動性を誘導します 16。

細胞エンベロープは細菌の主な耐荷重構成要素であり、機械的な力にも敏感です。細胞膜内の伸長活性化イオンチャネルは、膜の伸長による開口によって浸透圧の変化に迅速に反応し、低浸透圧ショック後の生存率の向上につながります 17。細胞エンベロープ内の機械的応力と歪みもエンベロープを越えた流出複合体の構築に影響を与えます。例えば、細胞エンベロープ内の八面体せん断応力の増加により、エンベロープを越えた多成分排出ポンプCusCBAの組み立てと機能が損なわれます18。細胞エンベロープ内の機械的応力は、曲げにさらされた細菌の新しい細胞壁の挿入位置にも影響を及ぼし、より大きな引張ひずみの領域ではより多くの量の細胞壁が挿入されます 19,20。細胞エンベロープ内のこれらの機械感受性メカニズムはよく知られていますが、これまでに同定されたメカニズムのいずれも、細胞エンベロープの必須構成要素である細胞壁のリモデリングに関連する遺伝子発現を調節することは示されていません。現在、他の形態の細胞ストレスに関連している遺伝子制御システムも機械感受性である可能性があるという仮説が立てられており 21、最近の報告では、閉じ込めが Rcs シグナル伝達とその後の大腸菌のバクテリオファージに対する耐性を強化することが示唆されています 22。機械感受性機構が細胞エンベロープのリモデリングと恒常性に関与している場合、機械的ストレスと歪みが細胞エンベロープの成分の合成を調節すると予想されます。

50 MPa) causes changes to RNA synthesis and DNA replication and can cause cell death35; here we apply mild hydrostatic pressure of 0–100 kPa (a bacterium 10 m underwater experiences approximately 100 kPa hydrostatic pressure), in contrast a cell leaving a host gastrointestinal system and entering brackish water is expected to experience an increase in turgor pressure of 500 kPa. Hydrostatic pressure increases the compressive stresses perpendicular to the cell envelope. The magnitude of mechanical stresses caused by hydrostatic pressure are typically much smaller than the hoop and longitudinal stresses (oriented parallel to the cell envelope surface) generated by extrusion loading or compression, but under conditions of applied hydrostatic pressure can become noticeable. Hydrostatic pressure was applied to cells suspended in liquid media in a custom chamber connected to a microfluidic pump. After 2 h of incubation at room temperature, cells were removed and visualized. Average cell fluorescence increased 28% with increasing magnitude of applied compression force (Fig. 2E, left), supporting the idea that VxrAB signaling is also sensitive to hydrostatic pressure. Upon deleting the vxrB box in the promoter, cell fluorescence did not vary with applied hydrostatic pressure (Fig. 2E, right), confirming that the mechanosensitive increase in cell fluorescence for PmurJ:msfGFP cells required VxrB activation. As in the compression experiments, the PvxrAB:msfGFP reporter strain were consistent with the observations with PmurJ:msfGFP (Fig. 2F). The variance in fluorescence was greater than that seen in compression loading, a finding we attribute to the fact that mechanical stresses in the cell envelope are limited to radial compression and are not as well controlled (cell contact with the walls of the device and other cells is completely uncontrolled). As a result, the mechanosensitive response to hydrostatic pressure was dominated by a subset of cells (upper portion of cell population in Fig. 2E,F). We conclude that VxrAB signaling is responsive to diverse methods of applying mechanical load to the cell envelope./p> 0.80 µm) so the cells could flow freely through all of the feeder channels and would only get stuck in the narrow constriction of the tapered channels. The feeder channel etch depth was characterized using a profilometer (P-7, KLA Inc, Milpitas CA, USA). The profilometer tip was too wide to measure the tapered channels, so an atomic force microscopy high aspect ratio tip was used to measure the etch depth of tapered channels (Veeco Icon Bruker, Billerica MA, USA). Channel etch depth was 0.88 ± 0.03 µm. A scanning electron microscope (Zeiss Ultra 55 SEM microscope, Oberkocken Germany) was used to measure the tapered channel inlet width (1.48 ± 0.07 µm) and outlet width (0.35 ± 0.02 µm). The tapered channel inlet is wide enough that cells can enter, and the outlet is narrow enough to prevent cells from flowing out./p>