An Investigation of Type I Toxin-Antitoxin Sytems from E.coli

Abstract

Bacteria are evolving to be multidrug resistant, this is probably a combination effect of selection for previously existing resistance genes and more modern evolution through mutagenesis. Understanding the processes contributing to resistance development is important in an attempt to produce novel antibiotics. Escherichia coli is a well-studied organism but function of many small proteins are still unknown. Some of the small proteins are SOS regulated and are important in cellular processes such as regulation, signaling and antibacterial action. Toxin-antitoxin (TA) loci in bacteria consist of two genes, of which one of the genes encodes a small protein which is often highly toxic upon moderate overexpression. The toxin DinQ has shown to be highly lethal upon modest overexpression and DinQ has been suggested to be a candidate for anti-cell-envelope antibiotic against E.coli infections and possibly infections by other gram-negative bacteria. Overproduction of the toxin TisB has shown to form persister cells, which are dormant cells that are highly tolerant to antibiotics, and it is concerning that DNA-damaging antibiotics induce multidrug tolerant cells. Based on the recently characterized TA-system, dinQ-agrB, the function of the TA-systems tisB-istR, shoB-ohsC and ldrD-rdlD was investigated. The mutants tisB, istR, shoB, ohsC, ldrD, rdlD, dinQ and agrB were stressed in several ways and biophysical responses of the bacteria was observed by their ability to replicate and form colonies. Various genetic backgrounds were combined to define the epistasis groups of these systems. The results obtained show that ohsC mutant had dramatically reduced survivors by almost 9000-fold compared to wild type (MG1655) under 1 hour alkaline challenge. Under chronic oxidative stress, shoB and ohsC mutants showed opposite result when stressed with hydrogen peroxide and superoxide, indicating a specific role of ShoB under oxidative stress. Possibility of ShoB increasing oxidative stress through Fe2+ uptake proteins was investigated. Removing both shoB and iscA is indicating there is a strong genetic interaction between shoB and IscA as replication is strongly inhibited.

Bakterier utvikler seg til å bli motstandsdyktige mot flere antibiotika. Dette er muligens på grunn av seleksjon av eksisterende resistensgener og mer moderne evolusjon gjennom mutagenesis. Å forstå prosessen som bidrar til motstandsdyktighet er viktig for å utvikle alternativer til nye antibiotika. Escherichia coli er en organisme som er ganske godt studert men fortsatt er funksjonen til mange små proteiner ukjent. Noen av de små proteinene er SOS regulerte og viktige i celle-funksjoner, slik som regulering, signalisering og bekjempelse av andre bakterier. Toxin-antitoxin loci i bakterier består av to gener, hvorav det ene genet koder for et lite protein som er potensielt giftig. DinQ er et toxin som veldig giftig ved moderat overproduksjon og DinQ har blitt foreslått til å være en kandidat for anti-celle-envelope antibiotika mot E.coli infeksjoner og muligens mot andre gram-negative bakterier. Overproduksjon av TisB danner persister celler som er uvirksomme celler, som har sterk toleranse mot antibiotika. Det er bekymrende at DNAskadende antibiotika induserer celler som er tolerante mot flere ulike antibiotika. Basert på TA-systemet dinQ-agrB, som ble karakterisert nylig, ble funksjonen til TA-systemene tisB-istR, shoB-ohsC and ldrD-rdlD undersøkt. Mutantene tisB, istR, shoB, ohsC, ldrD, rdlD, dinQ og agrB ble stresset på flere ulike måter og den biofysiske responsen til bakteriene ble observert ved deres evne til å replikere og danne kolonier. Ulike genetiske bakgrunner ble kombinert for å finne gener som kan påvirke disse systemene. Resultatene i disse studiene viser at ohsC mutanten er 9000 ganger mer sensitiv mot basisk stress i forhold til villtype (MG1655). Under kronisk oksidativ stress viste shoB og ohsC mutantene motsatt resultater når de ble stresset med hydrogen peroksid og superoksid, som gir indikasjon på at ShoB har en spesifikk rolle under oksidativ stress. Mulighetene for at ShoB øker oksidativ skade via Fe2+-opptaksproteiner ble undersøkt. Fjerning av både shoB og iscA indikerer at det er en sterk genetisk interaksjon mellom shoB og iscA, siden det inhiberer mutantene i å replikere.