Name: Författare i fokus: Utforska cytoskelettdynamik för att avslöja nya antibiotika genom innovativa cellbaserade analyser
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 och AKS erkänner de stipendier som mottagits från National Institute of Science Education and Research, Department of Atomic Energy. RS erkänner intramuralt finansieringsstöd från Institutionen för atomenergi, och detta arbete stöds genom ett forskningsanslag till RS (BT/PR42977/MED/29/1603/2022) från Institutionen för bioteknik (DBT). Författarna tackar också V Badireenath Konkimalla för hans kommentarer, förslag och diskussioner under utvecklingen av protokollet.

1. Uttryck av GFP-märkta bakteriella cytoskelettproteiner i S. pombe
OBS: Se Tabell 1 för information om alla plasmider och stammar som används här. Se tabell 2 för alla mediesammansättningar.
<ol><li>Utför kloning av E. coli MreB med en N-terminal GFP-fusion (GFP-MreB) och S. aureus FtsZ som bär en C-terminal GFP (SaFtsZ-GFP) in i S. pombe-expressionsvektorn, pREP42 med en medelstark tiamin-repre...

Identifiering av läkemedel som påverkar polymerisation av bakteriella cytoskelettproteiner

<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>

Antimikrobiell resistens (AMR) är ett allvarligt globalt hälsohot, och det finns ett akut behov av nya antibiotika med nya mål. Det bakteriella cytoskelettet har visat sig vara ett attraktivt mål för att utveckla nya antibiotika, med småmolekylära hämmare av celldelningsproteinet FtsZ, såsom TXA709, redan i kliniska fas I-studier30. Flera metoder har utvecklats för att identifiera hämmare av FtsZ-polymerisation 7,31. Vi har nyli...

Den utbredda resistensen mot nästan alla antibiotika som för närvarande används för att bekämpa bakteriella infektioner har skapat ett omedelbart behov av nya kategorier av antibiotika. En rapport från 2019 visade att antibiotikaresistenta infektioner ledde till att 1,27 miljoner liv gick förlorade, vilket bidrog till en total siffra på 4,95 miljoner dödsfall när man tar hänsyn till komplikationer från resistenta bakterieinfektioner1. Även om den nuvarande arsenalen av antibiotika fortfarande är effektiv i klinisk praxis, riktar den sig främst mot ett smalt spektrum av cellulära processer, främst med fokus på cellvägg, DNA och proteinsyntes. Under det senaste halvseklet har färre än 30 proteiner utnyttjats kommersiellt som mål för utveckling av nya antibakteriella medel 2,3. Detta begränsade utbud av livskraftiga måltavlor skapar betydande hinder för att upptäcka nya antibiotika eller deras derivat för att bekämpa antibiotikaresistenta bakterier. För att komma till rätta med det framväxande problemet med antibiotikaresistens finns det därför ett behov av att utveckla nya antibiotika med nya mål och verkningsmekanismer.
Ett antibakteriellt mål bör helst vara en viktig komponent i bakteriecellernas tillväxt, bevaras i hela den fylogenetiskt olika arten, uppvisa minst eukaryot homologi och vara tillgängligt för antibiotika4. Sedan upptäckten av bakteriella cytoskelettproteiner som är involverade i celldelning och upprätthållande av cellform har de framstått som en lovande fokuspunkt för utveckling av antibakteriella föreningar5. Dessa proteiner är viktiga för bakteriell livskraft och spelar en avgörande roll för att upprätthålla cellform (MreB, CreS), delning (FtsZ, FtsA) och DNA-segregering (ParM, TubZ, PhuZ, AlfA), liknande cytoskelettet i eukaryota celler. Noterbart är att FtsZ uppvisar en anmärkningsvärt hög bevarandenivå över ett brett spektrum av prokaryota organismer, medan MreB finns i nästan alla stavformade bakterier. En sådan bred distribution och relevans för cellviabilitet gör dessa proteiner till ett fascinerande mål inom antibiotikaforskning 5,6,7.
Det är avgörande att anta ett mångsidigt tillvägagångssätt som kombinerar in vivo-observationer, in vitro-interaktioner och enzymatiska experiment för att grundligt validera bakteriella cytoskelettproteiner som det primära målet för en potentiell hämmare7. Mödosamma procedurer eller betydande kostnadskonsekvenser belastar många tillgängliga analyser för detta ändamål. Dessa är anmärkningsvärda hinder för deras utbredda användning i screening av ledande föreningar som kan påverka det bakteriella cytoskelettet. Bland dessa sticker mikroskopi ut som en exceptionellt effektiv och snabb metod för att bedöma effektiviteten hos föreningar genom att direkt undersöka förändringar i cellmorfologi. Men den hetero-associationen av målprotein med andra cytoskelettkomplex, indirekta effekter på grund av off-target-bindning och förändringar i membranpotential, svårigheter att penetrera cellen effektivt och närvaron av effluxpumpar, särskilt i gramnegativa bakterier, gör det kollektivt komplicerat att fastställa den exakta orsaken till bakteriell celldeformation 8,9,10.
Schizosaccharomyces pombe, eller fissionsjäst som den är allmänt känd, är en stavformad encellig eukaryot organism. Fissionsjäst används i stor utsträckning som en modellorganism inom cellulär och molekylärbiologi på grund av det extraordinära bevarandet i cellulära processer såsom cellcykeln och delningen, cellulär organisation och kromosomreplikation med högre eukaryoter, inklusive människor11,12. Dessutom uttryckte Errington och kollegor ett pollokaliserat bakteriellt cytoskelettprotein DivIVA i fissionsjäst för att visa att DivIVA ackumulerades på negativt krökta ytor13. Återigen hade Balasubramanian och hans grupp först etablerat fissionsjäst som ett cellulärt modellsystem för att ge nya insikter om mekanismen, sammansättningen och dynamiken hos E. coli-aktincytoskelettproteinet som MreB14 och tubulinhomolog FtsZ15. De visar också förmågan hos A22 att effektivt hindra polymerisationen av MreB genom epifluorescensmikroskopi när den uttrycks i jäst14. Efter detta har andra grupper också framgångsrikt använt fissionsjäst för att studera sammansättningsegenskaperna hos kloroplastproteinerna FtsZ1 och FtsZ216. På senare tid har vi etablerat ett proof-of-concept för genomförbarheten av användningen av fissionsjäst som en cellulär plattform för att specifikt screena för bakteriella cytoskeletthämmare genom att genomföra en omfattande bedömning av effekten av tre kända FtsZ-hämmare - sanguinarin, berberin och PC190723-on FtsZ-proteiner som härrör från två patogena bakterier, nämligen Staphylococcus aureus och Helicobacter pylori17. Dessutom visar sig denna enstegs cellbaserade analys vara avgörande för att minimera risken för att identifiera föreningar som kan vara potentiellt giftiga för eukaryota celler.
I denna rapport, med hjälp av fissionsjästsystemet, föreslår vi ett systematiskt arbetsflöde med hjälp av standardplattan med 96 brunnar för halvautomatisk screening och kvantifiering av effekten av småmolekylära hämmare riktade mot FtsZ från Staphylococcus aureus och MreB från Escherichia coli. Här sätter vi upp och optimerar det halvautomatiska arbetsflödet med hjälp av de etablerade hämmarna PC190723 och A22 som specifikt riktar sig mot FtsZ respektive MreB. Detta arbetsflöde använder ett epifluorescensmikroskop utrustat med ett motoriserat högprecisionssteg och automatiserad bildinsamling i en standard 96-brunnars platta för att förbättra den nuvarande standardiseringen. Därför kan den tillämpas på skärmar med medelhög och hög genomströmning av syntetiska kemiska bibliotek och kringgår några av de utmaningar som anges ovan.

<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

Bakteriella cytoskelettproteiner som FtsZ och MreB utför viktiga funktioner som celldelning och underhåll av cellform. Vidare har FtsZ och MreB dykt upp som viktiga mål för nya antimikrobiella upptäckter. Flera analyser har utvecklats för att identifiera föreningar som riktar sig mot nukleotidbindning och polymerisation av dessa cytoskelettproteiner, främst med fokus på FtsZ. Dessutom är många av analyserna antingen mödosamma eller kostnadskrävande, och att fastställa om dessa proteiner är det cellulära målet för läkemedlet kräver ofta flera metoder. Slutligen utgör läkemedlens toxicitet för eukaryota celler också ett problem. Här beskriver vi en cellbaserad analys i ett steg för att upptäcka nya molekyler som riktar sig mot bakteriella cytoskelett och minimera träffar som kan vara potentiellt giftiga för eukaryota celler. Fissionsjäst är mottaglig för skärmar med hög genomströmning baserade på mikroskopi, och en visuell skärm kan enkelt identifiera vilken molekyl som helst som förändrar polymerisationen av FtsZ eller MreB. Vår analys använder standardplattan med 96 brunnar och förlitar sig på förmågan hos de bakteriella cytoskelettproteinerna att polymerisera i en eukaryot cell såsom fissionsjästen. Medan protokollen som beskrivs här är för fissionsjäst och använder FtsZ från Staphylococcus aureus och MreB från Escherichia coli, är de lätta att anpassa till andra bakteriella cytoskelettproteiner som lätt samlas till polymerer i alla eukaryota uttrycksvärdar. Metoden som beskrivs här bör bidra till att underlätta ytterligare upptäckt av nya antimikrobiella medel som riktar sig mot bakteriella cytoskelettproteiner.

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.

Författare i fokus: Utforska cytoskelettdynamik för att avslöja nya antibiotika genom innovativa cellbaserade analyser

Fissionsjäst som plattform för antibakteriell läkemedelsscreening riktad mot bakteriella cytoskelettproteiner

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.

Uppsättning av plattan med 96 brunnar för screening av läkemedel Användning av S. pombe för att uttrycka en C- terminalt GFP märkt S. aureus FtsZ från en vektor (pREP42) som innehåller den medelstarka tiaminrepressibla promotorn nmt41har tidigare fastställts17 och på liknande sätt uttrycktes E. coli MreB märkt med N-terminal GFP också i S. pombe14. Vi har också visat att PC190723, en specifik hä...

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

Fissionsjäst används här som en heterolog värd för att uttrycka bakteriella cytoskelettproteiner såsom FtsZ och MreB som translationella fusionsproteiner med GFP för att visualisera deras polymerisation. Föreningar som påverkar polymerisationen identifieras också genom avbildning med hjälp av ett fluorescensmikroskop.

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

Vårt laboratorium är intresserat av att förstå hur cytoskelettproteiner sätter ihop dynamiska strukturer för att reglera funktioner som DNA-delning och celldelning i bakterier. Vi är också intresserade av att upptäcka substanser som riktar sig mot dessa cytoskelettproteiner för att utveckla nya antibiotika. Vårt protokoll är en cellbaserad analys där det bakteriella cytoskelettproteinet polymeriseras i en molekylärt trång miljö i den eukaryota jästen, Schizosaccharomyces pombe.Med detta tillvägagångssätt kan vi samtidigt identifiera molekyler som direkt påverkar de bakteriella cytoskelettproteinerna, polymerisation, och som är potentiellt toxiska. Med hjälp av denna plattform för fissionsjäst planerar vi att screena bibliotek av makrocykliska föreningar, specifikt riktade mot FtsZ av patogena bakterier som Helicobacter pylori och Pseudomonas aeruginosa. Vi planerar också att utöka skärmarna för att rikta in oss på aktinliknande proteiner från Clostridium perfringens som är involverade i plasmidsegregering.

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.