Hohe Auflösung Elektronenmikroskopie der<em&gt; Helicobacter pylori</em&gt; Cag Typ IV-Sekretionssystem Pili Produziert in variierenden Bedingungen von Iron Verfügbarkeit

Zusammenfassung

Here we describe a method to visualize the oncogenic bacterial organelle known as the Cag Type IV Secretion System (Cag-T4SS). We find that the Cag-T4SS is differentially produced on the surface of H. pylori in response to varying conditions of iron availability.

Zusammenfassung

Helicobacter pylori is a helical-shaped, gram negative bacterium that colonizes the human gastric niche of half of the human population^1,2. H. pylori is the primary cause of gastric cancer, the second leading cause of cancer-related deaths worldwide³. One virulence factor that has been associated with increased risk of gastric disease is the Cag-pathogenicity island, a 40-kb region within the chromosome of H. pylori that encodes a type IV secretion system and the cognate effector molecule, CagA^4,5. The Cag-T4SS is responsible for translocating CagA and peptidoglycan into host epithelial cells^5,6. The activity of the Cag-T4SS results in numerous changes in host cell biology including upregulation of cytokine expression, activation of proinflammatory pathways, cytoskeletal remodeling, and induction of oncogenic cell-signaling networks^5-8. The Cag-T4SS is a macromolecular machine comprised of sub-assembly components spanning the inner and outer membrane and extending outward from the cell into the extracellular space. The extracellular portion of the Cag-T4SS is referred to as the “pilus”⁵. Numerous studies have demonstrated that the Cag-T4SS pili are formed at the host-pathogen interface^9,10. However, the environmental features that regulate the biogenesis of this important organelle remain largely obscure. Recently, we reported that conditions of low iron availability increased the Cag-T4SS activity and pilus biogenesis. Here we present an optimized protocol to grow H. pylori in varying conditions of iron availability prior to co-culture with human gastric epithelial cells. Further, we present the comprehensive protocol for visualization of the hyper-piliated phenotype exhibited in iron restricted conditions by high resolution scanning electron microscopy analyses.

Einleitung

H. pylori infection is a significant risk factor for gastric cancer¹. However, disease outcomes vary and depend on numerous factors such as host genetics, genetic diversity of H. pylori strains, and environmental elements such as host diet¹¹. Previous reports have established that a correlation exists between H. pylori infection, iron deficiency (as measured by decreased blood ferritin and hemoglobin concentrations), and increased proinflammatory cytokine production, including IL-8 secretion, which ultimately leads to increased gastric disease progression¹². Acute H. pylori infection is also associated with hypochlorhydria which impairs the host’s ability to absorb nutrient iron, and ultimately leads to changes in iron homeostasis¹³. These clinical findings suggest that iron availability within the gastic niche could be an important factor in disease outcome. In fact, animal models of H. pylori infection have demonstrated that low dietary iron consumption exacerbates gastric disease¹⁴. The reduced iron levels in these animals necessitate that H. pylori induce an iron-acquisition response in order to obtain the iron needed for bacterial replication. H. pylori has the capacity to perturb iron trafficking within host cells to facilitate bacterial replication in a CagA-dependent fashion¹⁵. Interestingly, the cag-pathogenicity island has been shown to be regulated by the iron-responsive transcription factor Fur^16,17. Furthermore, Cag+ strains are associated with increased inflammation and gastric diseases such as cancer¹. These findings support a model whereby H. pylori alters Cag-T4SS expression in an effort to obtain iron from host cells that reside in an iron deplete environment resulting in exacerbated disease outcomes.

Two factors that increase inflammation and morbidity are Cag expression and low dietary iron intake. These facts support the hypothesis that reduced iron availability increases the production of Cag-T4SS pili at the host pathogen interface resulting in worse gastric disease^11-14. The goal of the method provided in this manuscript is to establish the role of the micronutrient iron in the regulation of the Cag-T4SS pilus biogenesis. In previous work, we utilized two approaches to observe an iron-dependent increase in Cag-T4SS expression. First, output strains from animals maintained on high and low iron diets were analyzed and revealed that low-iron diet output strains produced more Cag-T4SS pili than high-iron diet strains¹⁴. Second, growing the H. pylori 7.13 strain in vitro in iron replete conditions resulted in reduced pili formation while cells grown in the presence of an iron chelator produced significantly more pili.

We have continued to investigate the iron-dependent regulation of Cag-T4SS pili phenotype and offer the following optimized protocol and representative results performed with an additional Helicobacter pylori strain, PMSS1. The rationale behind the development of this technique was to correlate increased Cag-T4SS activity in conditions of iron-limitation with increased Cag-T4SS pilus formation. The broader implication and use of this technique will provide optimized culture conditions that result in elevated production of the Cag-T4SS pili. This assay will be useful to researchers seeking to determine the composition and architecture of the Cag-T4SS by enriching for this important bacterial surface feature. The sample preparation and visualization by field-emission gun electron microscopy has numerous advantages over alternative techniques such as light-microscopy methods to visualize the Cag-T4SS and will be appropriate to investigators interested in studying the regulation of this organelle¹⁰.

Protokoll

1. H. pylori Wachstum bei unterschiedlichen Bedingungen von Iron Verfügbarkeit und Co-Kultur mit Menschen Magenepithelzellen

1. Wählen H. pylori-Stamm PMSS1 für diese Untersuchungen, weil es ein intaktes cag Pathogenität Insel und drückt eine IV-Sekretionssystem Funktionieren Typ. Auch verwenden einen isogenen Cage Mutante (PMSSI Δ Cage) als Negativkontrolle. Wachsen Bakterien auf TSA-Platten mit 5% Schafblut (Blut-Agar-Platten) für 24 h ergänzt war, bei 37 ° C in Gegenwart von 5% CO _2.
   HINWEIS: Bereiten Reagenzien und montieren Materialien wie in der Materialien und Geräte Tabelle skizziert. Endkonzentrationen für jedes Reagenz ist in Klammern aufgeführt.
2. Kratzen Bakterien von der Platte mit einem sterilen Wattestäbchen und impfen in modifizierte Brucellabrühe aus den Komponenten (siehe Materialien und Geräte Tabelle) und mit Cholesterin ergänzt. Kulturen über Nacht bei 37 inkubieren° C in Raumluft mit 5% CO _2, ergänzt mit 200 Umdrehungen pro Minute (rpm) schüttelt.
   HINWEIS: Cholesterin anstelle von fötalem Rinderserum auf die Tatsache zurückzuführen, dass Serum-Komplex verwendet; mit zahlreichen Quellen von Nährstoffen Eisen wie Häm, die Variabilität der Ergebnisse verursacht.
3. Am Tag der Kultivierung bakterieller, Samen AGS menschlichen Magen-Epithelzellen (ATCC CRL-1739) auf Poly-D-Lysin-behandelten Deckgläschen in 12-Well-Platten (ca. 1 x 10 ⁵ Zellen pro Vertiefung).
4. Am folgenden Tag, verdünnte Bakterienkulturen bis zu einer OD600 von 0,3 in modifizierten Brucellabrühe allein oder mit 100 & mgr; M FeCl _3, 200 & mgr; M Dipyridyl (ein synthetisches Eisen-Chelator) oder 200 uM Dipyridyl plus 250 & mgr; M FeCl ₃ ergänzt. Diese Kulturen für 4 Stunden bei 37 ° C inkubieren in Raumluft mit 5% CO _2, ergänzt mit Schütteln bei 200 Upm.
5. Zentrifuge Bakterien bei 1.000 xg, um Zellen zu sammeln und die Überstände zu entfernen, bevor Resuspendieren in ein gleiches Volumen frischer modifiziert Brucella-Brühe, ergänzt mit Cholesterin. Maßnahme OD600 der Kultur (OD 600 = 1,0 = 5,5 x 10 ⁸ Zellen / ml) und Bakterien in den Epithelzellen in einer Multiplizität der Infektion (MOI) von 20: 1. Führen serielle Verdünnungen und Platte Bakterienzellen auf Blutagarplatten, um bakterielle Zelllebensfähigkeit zu beurteilen.
6. Inkubieren H. pylori und AGS menschlichen Magen-Epithelzellen Co-Kulturen für 4 Stunden bei 37 ° C in Gegenwart von 5% CO ₂ in statischen Bedingungen vor dem Durchführen der Rasterelektronenmikroskopie (SEM) Probenvorbereitung.

2. SEM Probenvorbereitung zur H. Visualisieren pylori Cag-T4SS Pili

1. Entfernen H. pylori und AGS Co-Kulturen aus dem Inkubator und dekantieren Kulturüberstand (außer für IL-8 ELISA). Vorsichtig mit 0,05 M Natriumcacodylat-Puffer (pH 7,4), drei Mal waschen. Fix Proben für 2-4 Stunden bei Raumtemperatur in einer Lösung von 2,0% Paraformaldehyd, 2,5% Glutaraldehyd und 0,05 M Natriumcacodylatpuffer. Nach der primären Fixierung, waschen Proben dreimal mit 0,05 M Natriumcacodylatpuffer.
2. Zuführen Sekundärfixation mit 0,1% Osmiumtetroxid in 0,05 M Natriumcacodylatpuffer in zwei aufeinanderfolgenden 10 min Fixierungsschritte. Nach sekundäre Fixierung, waschen Proben dreimal mit 0,05 M Natriumcacodylatpuffer.
3. Nach der primären und sekundären Fixierung, Dehydratisierung Proben durch aufeinanderfolgende Waschen mit steigenden Konzentrationen von Ethanol gemäß Tabelle 1.
4. Nach Ethanol-Dehydratisierung, führen drei sequentielle Wasch von flüssigem Kohlendioxid. Dann trockenen Proben an einem kritischen Punkt mit einem kritischen Punkt Trockner bei einer Temperatur von 31,1 ° C und einem Druck von 1073 PSI.
5. Berg Deckgläser auf Aluminium SEM Proben Stubs und malen Sie mit einer dünnen Linie von kolloidalem Silber an der Probenkante geeignete Erdung zu erreichen und zu vermeiden Lade während SEM-Bildgebung.
6. Coat Proben mit 5 nmGold-Palladium mit einem Sputter-Mantel Maschine Probe Sekundärelektronensignal und Kanteneffekt zu erhöhen.

3. Imaging Parameter für die hochauflösende SEM Analysen

1. Ansicht Proben mit einem Feldemissions-Gun Rasterelektronenmikroskop (FEG-SEM).
2. Bild in einem Hochvakuumbetrieb bei einem Arbeitsabstand von 5-10 mm.
3. Stellen Sie die Beschleunigungsspannung bis 5 kV.
4. Stellen Punktgröße auf 2-2,5.
5. Kippen Sie die Probe zwischen 15-25 Grad, um eine bessere Sicht auf die Wirt-Pathogen-Schnittstelle zu erreichen.
6. Priorisieren Abbilden Bakterien haft zu den Kanten der Epithelzellen bei hoher Vergrößerung Betrachtung, da diese Bereiche der Wirt-Pathogen-Wechselwirkungen sind für die Pili-bildenden Bakterien angereichert.

4. Statistische Analysen zu Pili Quantifizierungen auswerten

1. Analysieren H. pylori CAG T4SS Pili mit ImageJ Software Anzahl von Pili / Zelle sowie Prozent der Zellen zu quantifizieren zeigt die piliated pheNOTYPE pro Erklärung unten.
2. Offene mikroskopische Aufnahme Dateien in ImageJ Software. Identifizierung Pili als Strukturen zwischen der Bakterienzelle und Wirtszelle mit einheitlicher Breite (10-13 nm) und Länge (60-150 nm) gebildet.
   HINWEIS: Die Pilus Struktur auf WT Bakterienstämme vorhanden, aber abwesend isogenen Stämme wie Δ Cage Mutantenstämme, die eine Inaktivierung des Gens die Haupt ATPase, die Befugnisse Typ IV Sekretion Pilus-Zusammenbau kodiert Hafen ist.
3. Kalibrieren Sie das Messwerkzeug durch Ziehen einer Linie mit der Geraden Werkzeug und dann auf der Registerkarte "Analysieren". Wählen Sie "Scale" aus dem Dropdown-Menü und geben Sie den Vergrößerungs bar Wert in das Feld "bekannte Strecke" und stellen Sie die Einheit der Länge in der entsprechenden Einstellung (nm). Klicken Sie auf "OK".
4. Messen Sie Cag-T4SS Pili mit der geraden Linie Werkzeug, um über die Länge oder Breite des Pilus ziehen und drücken Sie "Strg-M", um jeden Pilus messen. Beachten Sie eine Dialogbox mit den gemessenen Werten. Notieren Sie diese Werte oder Kopieren und Einfügen in ein Tabellenkalkulationsprogramm.
5. Verwenden Sie die Länge und Breite Parameter vorher festgelegten ^24, Missachtung Features, die passen nicht in das Profil der Cag-T4SS. Dann quantifizieren die Anzahl der Pili basierend auf Werten, die in den 10 bis 13 nm Breite und 60 bis 150 nm Länge Cutoffs sind.
6. Analysieren Sie den Quantifizierung von Pili statistisch durch zweiseitigen Student t-Test mit GraphPad Prism Software.

5. Optional: Auswertung der IL-8-Sekretion mit Pilus Produktion Korrelieren

1. Mit Überstände aus Schritt 2.1, führen Sie eine IL-8 ELISA gemäß den Herstellerangaben mit dem Kit (siehe Materialien und Ausstattungstabelle).
2. Analysieren Sie den IL-8 durch Wirtszellen sezerniert und berechnen die prozentuale IL-8 Induktion nach WT PMSS1 allein im Medium gezüchtet. Statistische Analysen mit zweiseitigen Student t-Test mit GraphPad Prism software.

Ergebnisse

In diesem Bericht haben wir gezeigt, dass die Bedingungen der unterschiedlichen Eisenverfügbarkeit die Fähigkeit, H. modulieren pylori Cag-T4SS Pilus-Biogenese im Wirt-Pathogen-Schnittstelle. Wenn in Medium allein, H. kultiviert pylori bildet einen Durchschnitt von 3 Pili / Zelle. Wenn H. pylori ist in Eisen gewachsen erschöpfen Bedingungen (unter Verwendung des synthetischen Chelator Dipyridyl), die Unter hemmend auf das Bakterienwachstum (Abbildung 1) si...

Diskussion

Eisen ist ein wesentliches Spurenelement für die meisten Lebensformen, einschließlich bakterieller Pathogene. In dem Bemühen, die Lebensfähigkeit der eindringenden Mikroorganismen zu beschränken, Wirbeltierwirten maskieren Nährstoff Eisen in einem Prozess als "Ernährungs Immunität" ¹⁸ bekannt. In Reaktion darauf wurden bakterielle Pathogene entwickelt, um Eisen als globales Signal-Molekül zu verwenden, um die Umgebung zu erfassen und zu regeln für die Ausarbeitung von Virulenz-Eigenschafte...

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
Modified brucella broth
Peptone from casein (10 g/L)	Sigma	70172
Peptic digest of animal tissue (10 g/L)	Sigma	70174
Yeast extract (2 g/L)	Sigma	92144
Dextrose (1 g/L)	Sigma	D9434
Sodium chloride (5 g/L)	Thermo Fisher	S271-10
Cholesterol (250X) (4 ml/L)	Life Technologies	12531018
Ferric chloride (100 or 250 uM)	Sigma	157740-100G
Dipyridyl (200 uM)	Sigma	D216305-100G
Modified RPMI
RPMI+HEPES (1X)	Life Technologies	22400-121
Fetal bovine serum (100 ml/L)	Life Technologies	10438-026
Electron Microscopy Preparation
Paraformaldehyde (2.0% aqueous)	Electron Microscopy Sciences	15713
Gluteraldehyde (2.5% aqueous)	Electron Microscopy Sciences	16220
Sodium cacodylate (0.05 M)	Electron Microscopy Sciences	12300
Osmium tetroxide (0.1% aqueous)	Electron Microscopy Sciences	19150
Ethanol (absolute)	Sigma	E7023
Colloidal silver paint	Electron Microscopy Sciences	12630
SEM sample stubs	Electron Microscopy Sciences	75220
Coverslips	Thermo Fisher	08-774-383
IL-8 Secretion Evaluation
Quantikine IL-8 ELISA kit	R&D Systems	D8000C