Name: Autor destacado: Explorando la dinámica del citoesqueleto para revelar nuevos antibióticos a través de ensayos innovadores basados en células
Uploaded: 2024-04-26T14:35:00
Description: Read this Scientific Article Protocol about Author Spotlight: Exploring Cytoskeletal Dynamics to Unveil Novel Antibiotics Through Innovative Cell-Based Assays at JoVE.com

SMP, SR y AKS reconocen las becas recibidas del Instituto Nacional de Educación e Investigación Científica, Departamento de Energía Atómica. RS reconoce el apoyo financiero interno del Departamento de Energía Atómica, y este trabajo está respaldado por una subvención de investigación para RS (BT/PR42977/MED/29/1603/2022) del Departamento de Biotecnología (DBT). Los autores también agradecen a V Badireenath Konkimalla por sus comentarios, sugerencias y discusiones a lo largo del desarrollo del protocolo.

1. Expresión de proteínas del citoesqueleto bacteriano marcadas con GFP en S. pombe
NOTA: Consulte la Tabla 1 para obtener información sobre todos los plásmidos y cepas utilizados aquí. Consulte la Tabla 2 para ver todas las composiciones de medios.
<ol><li>Realizar la clonación de E. coli MreB con una fusión de GFP N-terminal (GFP-MreB) y FtsZ de S. aureus portadora de una GFP C-terminal (SaFtsZ-GFP) en el...

Identificación de fármacos que afectan a la polimerización de las proteínas del citoesqueleto bacteriano

<ol>
	<li>Antimicrobial Resistance Collaborators. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Global+burden+of+bacterial+antimicrobial+resistance+in+2019:+a+systematic+analysis.">Global burden of bacterial antimicrobial resistance in 2019: a systematic analysis.</a> Lancet. 399 (10325), 629-655 (2022).</li><li>Haselbeck, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Comprehensive+essential+gene+identification+as+a+platform+for+novel+anti-infective+drug+discovery.">Comprehensive essential gene identification as a platform for novel anti-infective drug discovery.</a> Curr Pharma Des. 8 (13), 1155-1172 (2002).</li><li>Wang, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Discovery+of+a+small+molecule+that+inhibits+cell+division+by+blocking+FtsZ,+a+novel+therapeutic+target+of+antibiotics.">Discovery of a small molecule that inhibits cell division by blocking FtsZ, a novel therapeutic target of antibiotics.</a> J Biol Chem. 278 (45), 44424-44428 (2003).</li><li>Sanchez, S., Demain, A. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Antibiotics: current innovations and future trends. , (2015).</li><li>Vollmer, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+prokaryotic+cytoskeleton:+a+putative+target+for+inhibitors+and+antibiotics.">The prokaryotic cytoskeleton: a putative target for inhibitors and antibiotics.</a> Appl Microbiol Biotechnol. 73 (1), 37-47 (2006).</li><li>Vollmer, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Targeting+the+bacterial+Z-ring.">Targeting the bacterial Z-ring.</a> Chem Biol. 15 (2), 93-94 (2008).</li><li>Kusuma, K. D., Payne, M., Ung, A. T., Bottomley, A. L., Harry, E. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=FtsZ+as+an+antibacterial+target:+status+and+guidelines+for+progressing+this+avenue.">FtsZ as an antibacterial target: status and guidelines for progressing this avenue.</a> ACS Infect Dis. 5 (8), 1279-1294 (2019).</li><li>Kaul, M., Zhang, Y., Parhi, A. K., Lavoie, E. J., Pilch, D. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Inhibition+of+RND-type+efflux+pumps+confers+the+FtsZ-directed+prodrug+TXY436+with+activity+against+Gram-negative+bacteria.">Inhibition of RND-type efflux pumps confers the FtsZ-directed prodrug TXY436 with activity against Gram-negative bacteria.</a> Biochem Pharmacol. 89 (3), 321-328 (2014).</li><li>Casiraghi, A., Suigo, L., Valoti, E., Straniero, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Targeting+bacterial+cell+division:+A+binding+site-centered+approach+to+the+most+promising+inhibitors+of+the+essential+protein+FtsZ.">Targeting bacterial cell division: A binding site-centered approach to the most promising inhibitors of the essential protein FtsZ.</a> Antibiotics. 9 (2), 69 (2020).</li><li>Piddock, L. J. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multidrug-resistance+efflux+pumps+-+not+just+for+resistance.">Multidrug-resistance efflux pumps - not just for resistance.</a> Nat Rev. Microbiol. 4 (8), 629-636 (2006).</li><li>K&#228;ufer, N. F., Simanis, V., Nurse, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fission+yeast+Schizosaccharomyces+pombe+correctly+excises+a+mammalian+RNA+transcript+intervening+sequence.">Fission yeast Schizosaccharomyces pombe correctly excises a mammalian RNA transcript intervening sequence.</a> Nature. 318 (6041), 78-80 (1985).</li><li>Vyas, A., Freitas, A. V., Ralston, Z. A., Tang, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fission+yeast+Schizosaccharomyces+pombe:+A+unicellular+micromammal+model+organism.">Fission yeast Schizosaccharomyces pombe: A unicellular micromammal model organism.</a> Curr Prot. 1 (6), e151 (2021).</li><li>Edwards, D. H., Thomaides, H. B., Errington, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Promiscuous+targeting+of+Bacillus+subtilis+cell+division+protein+DivIVA+to+division+sites+in+Escherichia+coli+and+fission+yeast.">Promiscuous targeting of Bacillus subtilis cell division protein DivIVA to division sites in Escherichia coli and fission yeast.</a> EMBO J. 19 (11), 2719-2727 (2000).</li><li>Srinivasan, R., Mishra, M., Murata-Hori, M., Balasubramanian, M. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Filament+formation+of+the+Escherichia+coli+actin-related+protein,+MreB,+in+fission+yeast.">Filament formation of the Escherichia coli actin-related protein, MreB, in fission yeast.</a> Curr Biol. 17 (3), 266-272 (2007).</li><li>Srinivasan, R., Mishra, M., Wu, L., Yin, Z., Balasubramanian, M. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+bacterial+cell+division+protein+FtsZ+assembles+into+cytoplasmic+rings+in+fission+yeast.">The bacterial cell division protein FtsZ assembles into cytoplasmic rings in fission yeast.</a> Gene Dev. 22 (13), 1741-1746 (2008).</li><li>TerBush, A. D., Osteryoung, K. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Distinct+functions+of+chloroplast+FtsZ1+and+FtsZ2+in+Z-ring+structure+and+remodeling.">Distinct functions of chloroplast FtsZ1 and FtsZ2 in Z-ring structure and remodeling.</a> J Cell Biol. 199 (4), 623-637 (2012).</li><li>Sharma, A. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+mechanism+of+salt+bridge-mediated+resistance+to+FtsZ+inhibitor+PC190723+revealed+by+a+cell-based+screen.">A mechanism of salt bridge-mediated resistance to FtsZ inhibitor PC190723 revealed by a cell-based screen.</a> Mol Biol Cell. 34 (3), ar16 (2023).</li><li>Basi, G., Schmid, E., Maundrell, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=TATA+box+mutations+in+the+Schizosaccharomyces+pombe+nmt1+promoter+affect+transcription+efficiency+but+not+the+transcription+start+point+or+thiamine+repressibility.">TATA box mutations in the Schizosaccharomyces pombe nmt1 promoter affect transcription efficiency but not the transcription start point or thiamine repressibility.</a> Gene. 123 (1), 131-136 (1993).</li><li>Moreno, M. B., Dur&#225;n, A., Carlos Ribas, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+family+of+multifunctional+thiamine-repressible+expression+vectors+for+fission+yeast.">A family of multifunctional thiamine-repressible expression vectors for fission yeast.</a> Yeast. 16 (9), 861-872 (2000).</li><li>Green, M. R., Sambrook, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Caring+for+Escherichia+coli.">Caring for Escherichia coli.</a> Cold Spring Harb Protoc. , (2018).</li><li>Green, M. R., Sambrook, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Isolation+and+quantification+of+DNA.">Isolation and quantification of DNA.</a> Cold Spring Harb Protoc. , (2018).</li><li>B&#228;hler, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Heterologous+modules+for+efficient+and+versatile+PCR-based+gene+targeting+in+Schizosaccharomyces+pombe.">Heterologous modules for efficient and versatile PCR-based gene targeting in Schizosaccharomyces pombe.</a> Yeast. 14 (10), 943-951 (1998).</li><li>Pande, V., Mitra, N., Bagde, S. R., Srinivasan, R., Gayathri, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Filament+organization+of+the+bacterial+actin+MreB+is+dependent+on+the+nucleotide+state.">Filament organization of the bacterial actin MreB is dependent on the nucleotide state.</a> J Cell Biol. 221 (5), e202106092 (2022).</li><li>Schindelin, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fiji:+an+open-source+platform+for+biological-image+analysis.">Fiji: an open-source platform for biological-image analysis.</a> Nat Meth. 9 (7), 676-682 (2012).</li><li>Zhang, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Machine+learning+for+enumeration+of+cell+colony+forming+units.">Machine learning for enumeration of cell colony forming units.</a> Vis Comput Ind Biomed Art. 5 (1), 26 (2022).</li><li>Moen, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Deep+learning+for+cellular+image+analysis.">Deep learning for cellular image analysis.</a> Nat Meth. 16 (12), 1233-1246 (2019).</li><li>Higaki, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantitative+evaluation+of+cytoskeletal+organizations+by+microscopic+image+analysis.">Quantitative evaluation of cytoskeletal organizations by microscopic image analysis.</a> Plant Morphol. 29 (1), 15-21 (2017).</li><li>Henty-Ridilla, J. L., Li, J., Day, B., Staiger, C. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=ACTIN+DEPOLYMERIZING+FACTOR4+regulates+actin+dynamics+during+innate+immune+signaling+in+Arabidopsis.">ACTIN DEPOLYMERIZING FACTOR4 regulates actin dynamics during innate immune signaling in Arabidopsis.</a> Plant Cell. 26 (1), 340-352 (2014).</li><li>Boudaoud, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=an+ImageJ+plug-in+to+quantify+fibrillar+structures+in+raw+microscopy+images.">an ImageJ plug-in to quantify fibrillar structures in raw microscopy images.</a> Nat Protoc. 9 (2), 457-463 (2014).</li><li>Butler, M. S., Paterson, D. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Antibiotics+in+the+clinical+pipeline+in+October+2019.">Antibiotics in the clinical pipeline in October 2019.</a> J Antibio. 73 (6), 329-364 (2019).</li><li>Andreu, J. M., Huecas, S., Ara&#250;jo-Baz&#225;n, L., V&#225;zquez-Villa, H., Mart&#237;n-Fontecha, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+search+for+antibacterial+inhibitors+targeting+cell+division+protein+ftsz+at+its+nucleotide+and+allosteric+binding+sites.">The search for antibacterial inhibitors targeting cell division protein ftsz at its nucleotide and allosteric binding sites.</a> Biomedicines. 10 (8), 1825 (2022).</li><li>Vje&#353;tica, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+toolbox+of+stable+integration+vectors+in+the+fission+yeast+Schizosaccharomyces+pombe.">A toolbox of stable integration vectors in the fission yeast Schizosaccharomyces pombe.</a> J Cell Sci. 133 (1), jcs240754 (2020).</li><li>Berg, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=ilastik:+interactive+machine+learning+for+(bio)image+analysis.">ilastik: interactive machine learning for (bio)image analysis.</a> Nat Meth. 16 (12), 1226-1232 (2019).</li><li>Shaevitz, J. W., Gitai, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+structure+and+function+of+bacterial+actin+homologs.">The structure and function of bacterial actin homologs.</a> Cold Spring Harb Pers Biol. 2 (9), a000364 (2010).</li><li>Hoffman, C. S., Wood, V., Fantes, P. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+ancient+yeast+for+young+geneticists:+A+primer+on+the+Schizosaccharomyces+pombe+model+system.">An ancient yeast for young geneticists: A primer on the Schizosaccharomyces pombe model system.</a> Genetics. 201 (2), 403-423 (2015).</li><li>Aoi, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dissecting+the+first+and+the+second+meiotic+divisions+using+a+marker-less+drug-hypersensitive+fission+yeast.">Dissecting the first and the second meiotic divisions using a marker-less drug-hypersensitive fission yeast.</a> Cell Cycle. 13 (8), 1327-1334 (2014).</li><li>Zhang, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Improving+drug+sensitivity+of+HIV-1+protease+inhibitors+by+restriction+of+cellular+efflux+system+in+a+fission+yeast+model.">Improving drug sensitivity of HIV-1 protease inhibitors by restriction of cellular efflux system in a fission yeast model.</a> Pathogens. 11 (7), 804 (2022).</li></ol>

La resistencia a los antimicrobianos (RAM) es una grave amenaza para la salud mundial, y existe una necesidad urgente de nuevos antibióticos con nuevos objetivos. El citoesqueleto bacteriano se ha convertido en una diana atractiva para el desarrollo de nuevos antibióticos, con inhibidores de moléculas pequeñas de la proteína de división celular FtsZ, como TXA709, que ya se encuentran en ensayos clínicos de faseI 30. Se han desarrollado varios métodos para identificar inhibidores de la poli...

La resistencia generalizada a casi todos los antibióticos que se emplean actualmente para combatir las infecciones bacterianas ha creado una necesidad inmediata de nuevas categorías de antibióticos. Un informe de 2019 indicó que las infecciones resistentes a los antibióticos provocaron la pérdida de 1,27 millones de vidas, lo que contribuyó a un recuento total de 4,95 millones de muertes si se consideran las complicaciones de las infecciones bacterianas resistentes1. Aunque sigue siendo eficaz en la práctica clínica, el arsenal actual de antibióticos se dirige principalmente a un espectro estrecho de procesos celulares, centrándose principalmente en la pared celular, el ADN y la síntesis de proteínas. En el último medio siglo, menos de 30 proteínas han sido explotadas comercialmente como dianas para el desarrollo de nuevos antibacterianos 2,3. Esta gama limitada de objetivos viables crea limitaciones significativas para descubrir nuevos antibióticos o sus derivados para combatir las bacterias resistentes a los antibióticos. Por lo tanto, para superar el problema emergente de la resistencia a los antibióticos, es necesario desarrollar nuevos antibióticos con nuevas dianas y mecanismos de acción.
Idealmente, un objetivo antibacteriano debería ser un componente esencial del crecimiento de las células bacterianas, conservarse en todas las especies filogenéticamente diversas, mostrar la menor homología eucariota y ser accesible a losantibióticos. Desde el descubrimiento de las proteínas del citoesqueleto bacteriano implicadas en la división celular y el mantenimiento de la forma celular, se han convertido en un prometedor punto focal para eldesarrollo de compuestos antibacterianos. Estas proteínas son esenciales para la viabilidad bacteriana y desempeñan un papel fundamental en el mantenimiento de la forma celular (MreB, CreS), la división (FtsZ, FtsA) y la segregación del ADN (ParM, TubZ, PhuZ, AlfA), similar al citoesqueleto de las células eucariotas. En particular, FtsZ exhibe un nivel notablemente alto de conservación en una amplia gama de organismos procariotas, mientras que MreB se encuentra en casi todas las bacterias en forma de bastoncillo. Esta amplia distribución y relevancia en la viabilidad celular hacen de estas proteínas un objetivo fascinante en la investigación de antibióticos 5,6,7.
Es crucial adoptar un enfoque múltiple que combine observaciones in vivo, interacciones in vitro y experimentos enzimáticos para validar exhaustivamente las proteínas del citoesqueleto bacteriano como el objetivo principal de un inhibidor potencial7. Los procedimientos laboriosos o las implicaciones de costos sustanciales obstaculizan muchos ensayos disponibles para este propósito. Estos son obstáculos notables para su utilización generalizada en el cribado de compuestos principales que podrían afectar al citoesqueleto bacteriano. Entre ellos, la microscopía destaca como un método excepcionalmente eficiente y rápido para evaluar la eficacia de los compuestos mediante el examen directo de los cambios en la morfología celular. Sin embargo, la heteroasociación de la proteína diana con otros complejos de citoesqueletos, los efectos indirectos debidos a la unión fuera del objetivo y los cambios en el potencial de membrana, la dificultad para penetrar en la célula de manera eficiente y la presencia de bombas de eflujo, especialmente en bacterias Gram-negativas, hacen que sea colectivamente complejo identificar la causa precisa de la deformación de las células bacterianas 8,9,10.
Schizosaccharomyces pombe, o levadura de fisión como se le conoce comúnmente, es un organismo eucariota unicelular en forma de bastón. La levadura de fisión es ampliamente utilizada como organismo modelo en biología celular y molecular debido a la extraordinaria conservación en procesos celulares como el ciclo celular y la división, la organización celular y la replicación cromosómica con eucariotas superiores, incluyendo humanos11,12. Además, Errington y sus colegas expresaron una proteína del citoesqueleto bacteriano DivIVA localizada en polos en levadura de fisión para demostrar que DivIVA se acumulabaen superficies curvadas negativamente. Una vez más, Balasubramanian y su grupo habían establecido por primera vez la levadura de fisión como un sistema modelo celular para aportar nuevos conocimientos sobre el mecanismo, el ensamblaje y la dinámica de la proteína del citoesqueleto de actina de E. coli como MreB14 y el homólogo de tubulina FtsZ15. También demuestran la capacidad de A22 para impedir de manera eficiente la polimerización de MreB a través de la microscopía de epifluorescencia cuando se expresa en levadura14. A continuación, otros grupos también han empleado con éxito la levadura de fisión para estudiar las propiedades de ensamblaje de las proteínas FtsZ1 y FtsZ2 del cloroplasto16. Más recientemente, hemos establecido una prueba de concepto de la viabilidad del uso de la levadura de fisión como plataforma celular para detectar específicamente inhibidores del citoesqueleto bacteriano mediante la realización de una evaluación exhaustiva del impacto de tres inhibidores conocidos de FtsZ (sanguinarina, berberina y PC190723) en las proteínas FtsZ derivadas de dos bacterias patógenas, a saber, Staphylococcus aureus y Helicobacter pylori17. Además, este ensayo basado en células de un solo paso resulta fundamental para minimizar el riesgo de identificar compuestos que pueden ser potencialmente tóxicos para las células eucariotas.
En este informe, utilizando el sistema de levadura de fisión, proponemos un flujo de trabajo sistemático utilizando la placa estándar de 96 pocillos para el cribado semiautomatizado y la cuantificación del efecto de los inhibidores de moléculas pequeñas dirigidos a FtsZ de Staphylococcus aureus y MreB de Escherichia coli. Aquí, configuramos y optimizamos el flujo de trabajo semiautomatizado utilizando los inhibidores establecidos PC190723 y A22 que se dirigen específicamente a FtsZ y MreB, respectivamente. Este flujo de trabajo utiliza un microscopio de epifluorescencia equipado con una platina motorizada de alta precisión y adquisición automatizada de imágenes en una placa estándar de 96 pocillos para mejorar la estandarización actual. Por lo tanto, se puede aplicar a pantallas de rendimiento medio y alto de bibliotecas de productos químicos sintéticos y evita algunos de los desafíos enumerados anteriormente.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>96 Well CC2 Optical CVG Sterile, w/Lid. Black</td>
			<td>Thermo Scientific&#8482;</td>
			<td>160376</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>96-well plate</td>
			<td>Corning&#160;</td>
			<td>&#160;CLS3370</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>A22 Hydrochloride</td>
			<td>Sigma&#160;</td>
			<td>SML0471</td>
			<td>Dissolved in DMSO</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Adenine</td>
			<td>FormediumTM</td>
			<td>DOC0229</td>
			<td>225 mg/L of media&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Concanavalin A&#160;</td>
			<td>Sigma&#160;</td>
			<td>C5275-5MG</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DMSO</td>
			<td>Sigma&#160;</td>
			<td>317275</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Edinburg minimal medium (EMM Agar or EMM Broth)</td>
			<td>FormediumTM</td>
			<td>PMD0210</td>
			<td>See below for composition</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EDTA&#160;</td>
			<td>Sigma&#160;</td>
			<td>EDS-500G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>epMotion&#174; 96 with 2-position slider</td>
			<td>Eppendorf</td>
			<td>5069000101</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Histidine</td>
			<td>FormediumTM</td>
			<td>DOC0144</td>
			<td>225 mg/L of media&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Leica DMi8 inverted fluorescence microscope</td>
			<td>Leica Microsystems</td>
			<td></td>
			<td>German company</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Leucine</td>
			<td>FormediumTM</td>
			<td>DOC0157</td>
			<td>225 mg/L of media&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Lithium acetate&#160;</td>
			<td>Sigma&#160;</td>
			<td>517992-100G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PC190723</td>
			<td>Merck&#160;</td>
			<td>344580</td>
			<td>Dissolved in DMSO</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polyethylene glycol (PEG)</td>
			<td>Sigma&#160;</td>
			<td>202398</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Thiamine</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>T4625</td>
			<td>Filter sterilised</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tris-Hydrochloride</td>
			<td>MP</td>
			<td>194855</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Uracil</td>
			<td>FormediumTM</td>
			<td>DOC0214</td>
			<td>225 mg/L of media, Store solution at 36&#176;C</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>YES (Yeast extract + supplements) Agar</td>
			<td>FormediumTM</td>
			<td>PCM0410</td>
			<td>See below for composition</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>YES (Yeast extract + supplements) Broth</td>
			<td>FormediumTM</td>
			<td>PCM0310</td>
			<td>See below for composition</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Yeast (S. pombe) media&#160;</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Yeast extract + supplements (YES)</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>Composition</td>
			<td>g/L</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>Yeast extract</td>
			<td>5</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>Dextrose</td>
			<td>30</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>Agar</td>
			<td>17</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>Adenine</td>
			<td>0.05</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>L-Histidine</td>
			<td>0.05</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>L-Leucine</td>
			<td>0.05</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>L-Lysine HCl</td>
			<td>0.05</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>Uracil</td>
			<td>0.05</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Edinburg minimal medium (EMM)</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>Composition</td>
			<td>g/L</td>
			<td>concentration</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>potassium hydrogen phthallate&#160;</td>
			<td>3</td>
			<td>14.7mM</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>Na2HPO4&#160;</td>
			<td>2.2</td>
			<td>15.5 mM</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>NH4Cl&#160;</td>
			<td>5</td>
			<td>93.5 mM</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>glucose</td>
			<td>2% (w/v) or 20 g/L</td>
			<td>&#160;111 mM</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>Salts (stock x 50)</td>
			<td>20 mL/L (v/v)</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>Vitamins (stock x 1000)</td>
			<td>1 mL/L (v/v)</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>Minerals (Stock x 10,000)</td>
			<td>0.1 mL/L (v/v)</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Salts x 50&#160;</td>
			<td>52.5 g/l MgCl2.6H20 (0.26 M)&#160;</td>
			<td>52.5</td>
			<td>0.26 M</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>0.735 mg/l CaCl2.2H20 (4.99 mM)&#160;</td>
			<td>0.000735</td>
			<td>4.99 mM</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>50 g/l KCl (0.67 M)&#160;</td>
			<td>50</td>
			<td>0.67 M</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>2 g/l Na2SO4 (14.l mM)</td>
			<td>2</td>
			<td>14.1 mM</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vitamins x 1000&#160;</td>
			<td>1 g/l pantothenic acid&#160;</td>
			<td>1</td>
			<td>4.20 mM</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>10 g/l nicotinic acid&#160;</td>
			<td>10</td>
			<td>81.2 mM</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>10 g/l inositol&#160;</td>
			<td>10</td>
			<td>55.5 mM</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>10 mg/l biotin&#160;</td>
			<td>0.01</td>
			<td>40.8 &#181;M</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Minerals x 10,000&#160;</td>
			<td>boric acid</td>
			<td>5</td>
			<td>80.9 mM</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>MnSO4&#160;&#160;</td>
			<td>4</td>
			<td>23.7 mM</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>ZnSO4.7H2O</td>
			<td>4</td>
			<td>13.9 mM</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>FeCl2.6H2O&#160;&#160;</td>
			<td>2</td>
			<td>7.40 mM</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>molybdic acid&#160;</td>
			<td>0.4</td>
			<td>2.47 mM</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>KI&#160;</td>
			<td>1</td>
			<td>6.02 mM</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>CuSO4.5H2O&#160;</td>
			<td>0.4</td>
			<td>1.60 mM</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>citric acid&#160;</td>
			<td>10</td>
			<td>47.6 mM</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Strains/ Plasmids</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Strains</td>
			<td>Description</td>
			<td>Reference</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CCD190</td>
			<td>Escherichia coli DH10&#946;&#160;</td>
			<td>Invitrogen</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CCDY4&#160;</td>
			<td>MBY3532; CCDY346/pREP42- GFP-EcMreB</td>
			<td>Srinivasan et al., 2007</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CCDY340</td>
			<td>CCDY346/pREP42- SaFtsZ-GFP</td>
			<td>Sharma et al., 2023</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CCDY346</td>
			<td>MBY192; Schizosaccharomyces pombe [ura4-D18, leu1-32, h-]</td>
			<td>Dr. Mithilesh Mishra (DBS, TIFR)</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Plasmids</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>pCCD3</td>
			<td>pREP42-GFP-EcMreB</td>
			<td>Srinivasan et al., 2007</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>pCCD713</td>
			<td>pREP42-SaFtsZ-GFP</td>
			<td>Sharma et al., 2023</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

fission yeast as a platform for antibacterial drug screens targeting bacterial cytoskeleton proteins

Las proteínas del citoesqueleto bacteriano, como FtsZ y MreB, realizan funciones esenciales como la división celular y el mantenimiento de la forma celular. Además, FtsZ y MreB se han convertido en objetivos importantes para el descubrimiento de nuevos antimicrobianos. Se han desarrollado varios ensayos para identificar compuestos dirigidos a la unión de nucleótidos y la polimerización de estas proteínas del citoesqueleto, centrándose principalmente en FtsZ. Además, muchos de los ensayos son laboriosos o costosos, y determinar si estas proteínas son el objetivo celular del fármaco a menudo requiere múltiples métodos. Por último, la toxicidad de los fármacos para las células eucariotas también plantea un problema. Aquí, describimos un ensayo basado en células de un solo paso para descubrir nuevas moléculas dirigidas al citoesqueleto bacteriano y minimizar los impactos que podrían ser potencialmente tóxicos para las células eucariotas. La levadura de fisión es susceptible a cribados de alto rendimiento basados en microscopía, y una criba visual puede identificar fácilmente cualquier molécula que altere la polimerización de FtsZ o MreB. Nuestro ensayo utiliza la placa estándar de 96 pocillos y se basa en la capacidad de las proteínas del citoesqueleto bacteriano para polimerizar en una célula eucariota como la levadura de fisión. Si bien los protocolos descritos aquí son para levaduras de fisión y utilizan FtsZ de Staphylococcus aureus y MreB de Escherichia coli, son fácilmente adaptables a otras proteínas del citoesqueleto bacteriano que se ensamblan fácilmente en polímeros en cualquier huésped de expresión eucariota. El método descrito aquí debería ayudar a facilitar el descubrimiento de nuevos antimicrobianos dirigidos a las proteínas del citoesqueleto bacteriano.

The widespread resistance to nearly all antibiotics presently employed to combat bacterial infections has created an immediate necessity for novel categories of antibiotics. A 2019 report indicated that antibiotic-resistant infections resulted in the loss of 1.27 million lives, contributing to an overall tally of 4.95 million deaths when considering complications from resistant bacterial infections1. While still effective in clinical practice, the current arsenal of antibiotics predominantly targets a narrow spectrum of cellular processes, primarily focusing on cell wall, DNA, and protein synthesis. Over the past half-century, fewer than 30 proteins have been commercially exploited as targets for the development of new anti-bacterials2,3. This limited range of viable targets significantly creates constraints to discovering new antibiotics or their derivatives for combating antibiotic-resistant bacteria. Thus, to overcome the emerging antibiotic resistance problem, there is a need for the development of new antibiotics with novel targets and mechanisms of action.
An antibacterial target should ideally be an essential component of bacterial cell growth, be conserved throughout the phylogenetically diverse species, show least eukaryotic homology, and be accessible to antibiotics4. Since the discovery of bacterial cytoskeletal proteins involved in cell division and cell shape maintenance, they have emerged as a promising focal point for developing antibacterial compounds5. These proteins are essential for bacterial viability and play a pivotal role in maintaining cell shape (MreB, CreS), division (FtsZ, FtsA), and DNA segregation (ParM, TubZ, PhuZ, AlfA), akin to the cytoskeleton in eukaryotic cells. Notably, FtsZ exhibits a remarkably high level of conservation across a wide range of prokaryotic organisms, while MreB is found in nearly all rod-shaped bacteria. Such wide distribution and relevance in cell viability make these proteins a fascinating target in antibiotic research5,6,7.
It is crucial to adopt a multi-pronged approach that combines in vivo observations, in vitro interactions, and enzymatic experiments to thoroughly validate bacterial cytoskeleton proteins as the primary target of a potential inhibitor7. Laborious procedures or substantial cost implications encumber many available assays for this purpose. These are notable obstacles to their widespread utilization in screening lead compounds that could impact the bacterial cytoskeleton. Among these, microscopy stands out as an exceptionally efficient and rapid method for assessing the effectiveness of compounds by directly examining changes in cell morphology. Yet, the hetero-association of target protein with other cytoskeleton complexes, indirect effects due to off-target binding and changes in membrane potential, difficulty in penetrating the cell efficiently, and presence of efflux pumps, especially in Gram-negative bacteria, make it collectively complex to pinpoint the precise cause of bacterial cell deformation8,9,10.
Schizosaccharomyces pombe, or fission yeast as it&#39;s commonly known, is a rod-shaped unicellular eukaryotic organism. Fission yeast is widely used as a model organism in cellular and molecular biology due to the extraordinary conservation in cellular processes such as the cell cycle and division, cellular organization, and chromosome replication with higher eukaryotes, including humans11,12. Furthermore, Errington and colleagues expressed a pole-localized bacterial cytoskeletal protein DivIVA in fission yeast to demonstrate that DivIVA accumulated on negatively curved surfaces13. Again, Balasubramanian and group had first established fission yeast as a cellular model system to bring new insights into the mechanism, assembly, and dynamicity of the E. coli actin cytoskeleton protein like MreB14 and tubulin homolog FtsZ15. They also demonstrate the ability of A22 to efficiently impede the polymerization of MreB through epifluorescence microscopy when expressed in yeast14. Following this, other groups have also successfully employed fission yeast to study the assembly properties of chloroplast FtsZ1 and FtsZ2 proteins16. More recently, we have established a proof-of-concept of the viability of the use of fission yeast as a cellular platform to specifically screen for bacterial cytoskeleton inhibitors by conducting a comprehensive assessment of the impact of three known FtsZ inhibitors-sanguinarine, berberine, and PC190723-on FtsZ proteins derived from two pathogenic bacteria, namely Staphylococcus aureus and Helicobacter pylori17. Additionally, this single-step cell-based assay proves instrumental in minimizing the risk of identifying compounds that may be potentially toxic to eukaryotic cells.
In this report, utilizing the fission yeast system, we propose a systematic workflow using the standard 96-well plate for semi-automated screening and quantification of the effect of small molecule inhibitors targeting FtsZ from Staphylococcus aureus and MreB from Escherichia coli. Here, we set up and optimize the semi-automated workflow using the established inhibitors PC190723 and A22 that specifically target FtsZ and MreB, respectively. This workflow uses an epifluorescence microscope equipped with a motorized high-precision stage and automated image acquisition in a standard 96-well plate to improve upon current standardization. Hence, it can be applied to medium- as well as high-throughput screens of synthetic chemical libraries and circumvents some of the challenges listed above.

Autor destacado: Explorando la dinámica del citoesqueleto para revelar nuevos antibióticos a través de ensayos innovadores basados en células

La levadura de fisión como plataforma para el cribado de fármacos antibacterianos dirigidos a las proteínas del citoesqueleto bacteriano

Our laboratory is interested in understanding how cytoskeletal proteins assemble dynamic structures to regulate functions such as DNA partitioning and cell division in bacteria. We are also interested in discovering compounds that target these cytoskeletal proteins to develop novel antibiotics. Our protocol is a cell-based assay in which the bacterial cytoskeleton protein polymerizes in a molecularly crowded environment in the eukaryotic yeast, Schizosaccharomyces pombe.With this approach, simultaneously, we can identify molecules that directly affects the bacterial cytoskeleton proteins, polymerization, and are potentially toxic. Using this fission yeast platform, we plan to screen libraries of macrocyclic compounds, specifically targeting FtsZ of pathogenic bacteria like Helicobacter pylori and Pseudomonas aeruginosa. We also plan to expand the screens to target actin-like proteins from Clostridium perfringens involved in plasmid segregation.

Instalación de la placa de 96 pocillos para el cribado de fármacos Se ha establecido previamente el uso de S. pombe para expresar una FtsZ de S. aureus marcada con GFP terminal C a partir de un vector (pREP42) que contiene el promotor represible de tiamina de potencia media nmt4117 y, de manera similar, la MreB de E. coli marcada con GFP N-terminal también se expresó en S. pombe14. También hemos demostrad...

Read this Scientific Article Protocol about Author Spotlight: Exploring Cytoskeletal Dynamics to Unveil Novel Antibiotics Through Innovative Cell-Based Assays at JoVE.com

La levadura de fisión se utiliza aquí como huésped heterólogo para expresar proteínas citoesqueléticas bacterianas como FtsZ y MreB como proteínas de fusión traduccional con GFP para visualizar su polimerización. Además, los compuestos que afectan a la polimerización se identifican mediante imágenes con un microscopio de fluorescencia.

Bacterial cytoskeletal proteins such as FtsZ and MreB perform essential functions such as cell division and cell shape maintenance. Further, FtsZ and MreB ...

Nuestro laboratorio está interesado en comprender cómo las proteínas del citoesqueleto ensamblan estructuras dinámicas para regular funciones como la partición del ADN y la división celular en las bacterias. También estamos interesados en descubrir compuestos que se dirijan a estas proteínas del citoesqueleto para desarrollar nuevos antibióticos. Nuestro protocolo es un ensayo basado en células en el que la proteína del citoesqueleto bacteriano polimeriza en un entorno molecularmente abarrotado en la levadura eucariota, Schizosaccharomyces pombe.Con este enfoque, simultáneamente, podemos identificar moléculas que afectan directamente a las proteínas del citoesqueleto bacteriano, la polimerización, y que son potencialmente tóxicas. Utilizando esta plataforma de levadura de fisión, planeamos examinar bibliotecas de compuestos macrocíclicos, dirigiéndose específicamente a FtsZ de bacterias patógenas como Helicobacter pylori y Pseudomonas aeruginosa. También planeamos ampliar los cribados para dirigirnos a las proteínas similares a la actina de Clostridium perfringens implicadas en la segregación de plásmidos.

fission-yeast-as-platform-for-antibacterial-drug-screens-targeting

Research

JoVE Journal

Biology

Fission Yeast as a Platform for Antibacterial Drug Screens Targeting Bacterial Cytoskeleton Proteins

Bacterial cytoskeletal proteins such as FtsZ and MreB perform essential functions such as cell division and cell shape maintenance. Further, FtsZ and MreB have emerged as important targets for novel antimicrobial discovery. Several assays have been developed to identify compounds targeting nucleotide binding and polymerization of these cytoskeletal proteins, primarily focused on FtsZ. Moreover, many of the assays are either laborious or cost-intensive, and ascertaining whether these proteins are the cellular target of the drug often requires multiple methods. Finally, the toxicity of the drugs to eukaryotic cells also poses a problem. Here, we describe a single-step cell-based assay to discover novel molecules targeting bacterial cytoskeleton and minimize hits that might be potentially toxic to eukaryotic cells. Fission yeast is amenable to high-throughput screens based on microscopy, and a visual screen can easily identify any molecule that alters the polymerization of FtsZ or MreB. Our assay utilizes the standard 96-well plate and relies on the ability of the bacterial cytoskeletal proteins to polymerize in a eukaryotic cell such as the fission yeast. While the protocols described here are for fission yeast and utilize FtsZ from Staphylococcus aureus and MreB from Escherichia coli, they are easily adaptable to other bacterial cytoskeletal proteins that readily assemble into polymers in any eukaryotic expression hosts. The method described here should help facilitate further discovery of novel antimicrobials targeting bacterial cytoskeletal proteins.

Fission yeast is used here as a heterologous host to express bacterial cytoskeletal proteins such as FtsZ and MreB as translational fusion proteins with GFP to visualize their polymerization. Also, compounds that affect polymerization are identified by imaging using a fluorescence microscope.

Investigación

Biología

Targeting GFP-Tagged Bacterial Cytoskeletal Proteins Expressed in Schizosaccharomyces pombe and Microscopic Imaging of the Polymers

Dirigido a las proteínas del citoesqueleto bacteriano marcadas con GFP expresadas en Schizosaccharomyces pombe y a la obtención de imágenes microscópicas de los polímeros