緑膿菌のウイルス活性化に伴う中枢代謝の変化

A Shift in Central Metabolism Accompanies Virulence Activation in Pseudomonas aeruginosa.

• Kumar Perinbam
• Jenu V Chacko
• Anerudh Kannan
• Michelle A Digman
• Albert Siryaporn

抄録

エネルギーの利用可能性は、細胞の生理機能に大きな影響を与えている。しかし、細菌の発病における細胞代謝の役割については不明な点が多い。我々は、多剤耐性菌の初期バイオフィルムにおける病原性誘導時の中心代謝の動態を、表面センシングとノルムセンシングを用いて調べた。 生細胞におけるNADHの活性を報告する蛍光寿命イメージング顕微鏡（FLIM）を用いて代謝プロファイルを確立した。また、病原性が活性化される重要な増殖移行期を同定した。我々は、この期間中にFLIM測定およびNADHおよびNAD濃度の直接測定を行った。ここでは、プランクトン（低病原性）と表面付着（病原性活性化）集団は、異なる代謝状態に分岐し、表面付着集団は、酵素結合NADHの低レベルと総NAD（H）産生量の減少に関連するFLIM寿命を示していた。また、クエン酸塩やピルビン酸塩を用いて中心代謝を変化させることで病原性を抑制したところ、酵素結合NADH画分や総NAD(H)産生量がさらに減少し、表面付着個体群の病原性活性化にはグリオキシル酸経路が関与していることが示唆された。さらに、電子輸送鎖酸化酵素阻害剤であるアンチマイシンAを用いて、より早い時期に病原性を誘導した。本研究の結果は、FLIMを用いてバイオフィルム中のNADH動態を非侵襲的に測定したことを示しており、病原性活性化期に代謝の再配置が伴うモデルを示唆している。抗生物質耐性の増加に伴い、細菌感染症や病原体と闘うための新たな戦略の開発が必要とされている。その主要な方向性として、広く病原性を標的とした薬剤の開発が行われてきた。しかし、多くの病原性調節因子の種特異的な性質のために、ほとんどの標的が同定されていない。種を超えて保存されている病原性調節因子がないことが、治療薬開発のさらなる課題となっている。ここで、我々は、NADH活性が病原体における病原体の病原性の誘導に重要な役割を持っていることを確認した。この発見は、細菌病原体におけるNADHのユビキタス性と相まって、潜在的な広範な抗ウイルスアプローチとしてNADHを処理する酵素を標的とする可能性を開きます。

The availability of energy has significant impact on cell physiology. However, the role of cellular metabolism in bacterial pathogenesis is not understood. We investigated the dynamics of central metabolism during virulence induction by surface sensing and quorum sensing in early-stage biofilms of the multidrug-resistant bacterium We established a metabolic profile for using fluorescence lifetime imaging microscopy (FLIM), which reports the activity of NADH in live cells. We identified a critical growth transition period during which virulence is activated. We performed FLIM measurements and direct measurements of NADH and NAD concentrations during this period. Here, planktonic (low-virulence) and surface-attached (virulence-activated) populations diverged into distinct metabolic states, with the surface-attached population exhibiting FLIM lifetimes that were associated with lower levels of enzyme-bound NADH and decreasing total NAD(H) production. We inhibited virulence by perturbing central metabolism using citrate and pyruvate, which further decreased the enzyme-bound NADH fraction and total NAD(H) production and suggested the involvement of the glyoxylate pathway in virulence activation in surface-attached populations. In addition, we induced virulence at an earlier time using the electron transport chain oxidase inhibitor antimycin A. Our results demonstrate the use of FLIM to noninvasively measure NADH dynamics in biofilms and suggest a model in which a metabolic rearrangement accompanies the virulence activation period. The rise of antibiotic resistance requires the development of new strategies to combat bacterial infection and pathogenesis. A major direction has been the development of drugs that broadly target virulence. However, few targets have been identified due to the species-specific nature of many virulence regulators. The lack of a virulence regulator that is conserved across species has presented a further challenge to the development of therapeutics. Here, we identify that NADH activity has an important role in the induction of virulence in the pathogen This finding, coupled with the ubiquity of NADH in bacterial pathogens, opens up the possibility of targeting enzymes that process NADH as a potential broad antivirulence approach.

Copyright © 2020 Perinbam et al.