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Method Article
Les composés thiophénésulfonamides sont des inhibiteurs puissants et spécifiques des régulateurs de détection du quorum Vibrio LuxR/HapR qui bloquent leur activité in vivo, empêchant ainsi la transcription des gènes de virulence, de motilité et de biofilms. Ce protocole détaille comment ces composés sont synthétisés, modélisés in silico et testés in vivo pour leur activité contre LuxR/HapR.
Les bactéries détectent les nombres de population locale à l’aide de la détection de quorum, une méthode de communication entre cellules largement utilisée pour contrôler les comportements bactériens. Chez les espèces de Vibrio , les régulateurs de détection de quorum maîtres LuxR/HapR contrôlent des centaines de gènes de détection de quorum, dont beaucoup influencent la virulence, le métabolisme, la motilité, etc. Les thiophénésulfamides sont de puissants inhibiteurs de LuxR/HapR qui lient la poche de ligand dans ces facteurs de transcription et bloquent l’expression des gènes de détection du quorum en aval. Cette classe de composés a servi de base au développement d’un ensemble de procédures simples, robustes et éducatives permettant aux étudiants d’assimiler leurs compétences en chimie et en biologie à l’aide d’un modèle CURE : expérience de recherche de premier cycle basée sur un cours. Des protocoles optimisés sont décrits qui comprennent trois étapes d’apprentissage dans une plateforme itérative et multidisciplinaire pour engager les étudiants dans une cure d’un an : (1) concevoir et synthétiser de nouveaux inhibiteurs de petites molécules basés sur le noyau de thiophènesulfonamide, (2) utiliser la modélisation structurelle pour prédire l’affinité de liaison à la cible, et (3) tester l’efficacité des composés dans des tests microbiologiques contre des protéines spécifiques de Vibrio LuxR/HapR. Le test rapporteur décrit effectué chez E. coli permet de prédire avec succès l’efficacité des composés contre les protéines cibles de l’espèce indigène Vibrio .
Les bactéries détectent la densité de la population et le type de cellules à proximité à l’aide d’un processus de communication cellule-cellule appelé détection de quorum (QS)1. Divers clades de bactéries utilisent le QS pour contrôler divers comportements, tels que la motilité, la formation de biofilms, la sécrétion de facteur de virulence, etc. Les protéines et les signaux impliqués dans le QS diffèrent considérablement d’une bactérie à l’autre. Chez les espèces de Vibrio , le système de signalisation QS utilise principalement des récepteurs hybrides histidine-kinase liés à la membrane qui reconnaissent des signaux spécifiques de petites molécules apparentées appelées auto-inducteurs2 (Figure 1). Ces récepteurs contrôlent le flux de phosphate à travers le système vers un régulateur de réponse qui transcrit de petits ARN. La production d’ARNs modifie la production du régulateur de détection du quorum maître, qui est défini comme un groupe conservé de protéines collectivement appelé LuxR/HapR3. Ainsi, à de faibles densités cellulaires, l’ARNm codant pour LuxR/HapR est dégradé par le ciblage de l’ARNs, et à haute densité cellulaire, la protéine LuxR/HapR est produite à des niveaux maximaux (examiné dans Ball et al.3).
Le groupe de protéines LuxR/HapR appartient au grand groupe de protéines TetR, qui est défini par la présence d’une hélice-tour-hélice dans le domaine de liaison à l’ADN, la formation d’un homodimère fonctionnel et généralement l’inclusion d’un domaine de liaison de ligand4. Les protéines Vibrio LuxR/HapR répondent à tous ces critères, bien qu’aucun ligand n’ait encore été identifié. La protéine LuxR/HapR chez toutes les espèces de Vibrio étudiées contrôle de nombreux comportements en aval, dont beaucoup sont connus pour être importants dans la pathogenèse : production de biofilms, de protéases, de cytotoxines, d’hémolysines, de sécrétion de type III et de complexes de sécrétion de type VI,et plus encore3. La délétion de la protéine LuxR/HapR entraîne une diminution ou une perte de virulence dans les systèmes hôtes 5,6,7, ce qui conduit à l’hypothèse que l’inhibition de ces protéines est une stratégie viable pour contrer la progression de la maladie. Les espèces de vibrio provoquent la vibriose chez les organismes marins, notamment les poissons, les crustacés et les coraux, ainsi que chez les humains qui entrent en contact ou ingèrent certaines espèces.
Des recherches antérieures ont identifié un panel de composés thiophènesulfonamide qui se lient spécifiquement au domaine de liaison au ligand des protéines LuxR/HapR chez plusieurs espèces de Vibrio pour bloquer leur fonction 5,8,9 (Figure 1). À l’aide d’un criblage rapporteur chez E. coli, les composés ont été identifiés et ensuite testés dans le Vibrio natif, qui a montré une forte corrélation entre l’effet chez l’E. coli hétérologue et l’efficacité dans le Vibrio9. Ces composés sont simples à synthétiser en une seule étape, ce qui les rend idéaux pour la synthèse de petites bibliothèques dans le cadre d’un cours de laboratoire de biologie chimique. Une expérience de recherche de premier cycle (CURE) de trois semaines qui a été conçue autour de cet échafaudage moléculaire a déjà été signalée8. Ce module de trois semaines a été optimisé, rationalisé et élargi dans le cadre de cette étude CURE d’un an conçue pour cibler l’inhibition des protéines LuxR/HapR chez diverses espèces de Vibrio.
Les détails des réactifs et de l’équipement utilisé pour l’étude sont répertoriés dans la table des matériaux.
1. Conception et synthèse de banques de thiophènesulfonamides
REMARQUE : Les inhibiteurs du thiophènesulfonamide tels que le 3-phényl-1-(thiophène-2-ylsulfonyl)-1 H-pyrazole (PTSP) sont synthétisés par condensation de base en une étape 8,9, comme le montre la figure 2. Pour concevoir de nouvelles bibliothèques de composés à étudier, les chercheurs doivent se procurer des amines et des chlorures de sulfonyle appropriés et suivre les étapes résumées ci-dessous. Si la structure de l’amine diffère considérablement de celle du dérivé aromatique du pyrazole, il peut être nécessaire d’identifier d’autres conditions de réaction en effectuant une recherche dans la littérature. Cette procédure est robuste, et des bases telles que l’hydroxyde de sodium, la triéthylamine et la pyridine ont également bien fonctionné. Si cela est effectué dans un cours, les étudiants peuvent avoir la liberté de choisir leur propre procédure avec des résultats probablement favorables.
2. Modélisation structurale pour prédire la liaison des thiophènesulfamides au régulateur Vibrio LuxR/HapR
REMARQUE : Ce protocole utilise la version Web d’AutoDock Vina appelée Webina11 pour ancrer des inhibiteurs de petites molécules (PTSP dans ce cas) dans la poche de liaison du ligand de l’homologue LuxR/HapR appelé SmcR de Vibrio vulnificus12. Les résultats de ce protocole sont (1) des affinités de liaison calculées et (2) un fichier de structure qui peut être ouvert dans PyMol ou un programme connexe pour visualiser les interactions ligand-protéine. Ce protocole peut être adapté à n’importe quelle petite molécule et à toute protéine avec une poche de liaison de ligand. Il faut quelques minutes pour s’amarrer à SmcR car la zone de recherche de ce récepteur est définie ci-dessous. S’il faut définir la zone de recherche d’un nouveau récepteur (étapes 2.15 à 2.20), cela peut être fait en une période de laboratoire de 3 heures. Une fois la zone de recherche définie, les amarrages suivants ne prendront que quelques minutes.
3. Évaluation biologique des thiophénésulfamides dans l’inhibition de la détection du quorum
REMARQUE : La procédure spécifique pour le dosage de la protéine LuxR de Vibrio campbellii est décrite ici. Cependant, cette procédure peut être adaptée pour être utilisée avec n’importe quelle protéine Vibrio LuxR/HapR, qui sont toutes disponibles sur des plasmides à réplication ectopique compatibles avec le plasmide rapporteur pJV0649. Le test « écran rouge-vert » est réalisé dans un fond bactérien hétérologue à l’aide de cellules E. coli contenant les deux plasmides. Le plasmide d’expression LuxR/HapR (conférant une résistance à la kanamycine) est disponible et exprime différents gènes LuxR (Figure 4A). Le plasmide pJV064 (conférant une résistance au chloramphénicol) code pour un gène gfp sous le contrôle d’un promoteur activé par LuxR et un gène mCherry sous le contrôle d’un promoteur réprimé par LuxR (Figure 4A). Les deux promoteurs ont été choisis en raison de leur identification en tant que gènes régulés par LuxR avec de grands changements d’expression in vivo15. Les souches d’E. coli LuxR/HapR et le plasmide pJV064 ont été publiés précédemment 9,15.
4. Lavage des plaques de test noires pour la réutilisation
À titre de résultats représentatifs, des données sont incluses à partir de trois composés de thiophènesulfonamide synthétisés par des étudiants de premier cycle pour les composés 1A, 2B et 3B (figures 5A-C ; décrites en détail dans Newman et al.9). Chaque composé a été testé dans la souche d’E. coli exprimant V. campbellii LuxR et utilisant le plasmide ra...
Ce CURE a été développé à l’origine comme un protocole abrégé en deux étapes de trois semaines (conception/synthèse et essai) et a été mis en œuvre en cinq semestres dans le cadre d’un cours de laboratoire organique de niveau supérieur8. Depuis le rapport original, le module de modélisation informatique a été ajouté et le test E . coli a été optimisé pour les chercheurs novices. Le protocole en trois étapes et deux semestres qui e...
JVK et LCB divulguent des intérêts financiers dans Quornix, LLC, qui pourraient bénéficier des résultats de la recherche sur les composés de thiophènesulfonamide.
La recherche rapportée dans cette publication a été soutenue par le National Institute of General Medical Sciences des National Institutes of Health sous le numéro de bourse R35GM124698 à JVK. Le contenu relève de la seule responsabilité des auteurs et ne représente pas nécessairement les opinions officielles des National Institutes of Health.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
2-thiophensulfonyl chloride | Ambeed | A258464 | |
3-Phenyl-1H-pyrazole | Ambeed | A104401 | 98% |
96-well clear bottom black plates | USA Scientific | 5665-5090Q | 96-well polystyrene uClear black TC plate with lid, clear flat bottom, sterile, 8/sleeve, 32/case |
Autodock Tools | http://mgltools.scripps.edu/downloads | ||
Autodock Vina | https://vina.scripps.edu | ||
Chloramphenicol | |||
DMSO | |||
ethyl acetate | Fisher Scientific | AA31344M4 | Reagent grade |
hexanes | Fisher Scientific | H291 | |
Kanamycin | |||
magnesium sulfate | Fisher Scientific | M65-500 | Anhydrous |
Microporous Film | USA Scientific | 2920-1010 | Microporous Film, -20degC to +80degC, 50/box, Sterilized |
molview | molview.org | ||
NaCl | |||
Protein Databank | https://www.rcsb.org/ | ||
Pymol | https://pymol.org/2/ | ||
Qualitative filter paper | Fisher Scientific | 09-805-342 | Cytiva Whatman™ Qualitative Filter Paper: Grade 1 Circles, 47 mm |
Silica gel | Sorbtech | 30930M-25 | Silica Gel, Standard Grade, 60A, 40-63um (230 x 400 mesh) |
Sodium hydride | Millipore Sigma | 452912 | 60 % dispersion in mineral oil |
Tetrahydrofuran | Fisher Scientific | MTX02847 | Tetrahydrofuran, anhydrous, 99.9%, ACS Grade, DriSolv |
TLC Plates | Sorbtech | 1634067 | Silica gel TLC plates, aluminum backed |
Tryptone | |||
webina | https://durrantlab.pitt.edu/webina/ | ||
Yeast Extract |
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