User:AnaKodra

GENETSKO PROGRAMIRANJE TUMOR CILJAJOČIH BAKTERIJ S STIKALNIM SISTEMOM, KI SE ODZIVA NA DUŠIKOV(II) OKSID

Povzeto po članku Y. Qin, S.-H. You, Y. Zhang, A. Venu, Y. Hong, J.-J. Min: Genetic Programming by Nitric Oxide-Sensing Gene Switch System in Tumor-Targeting Bacteria. Biosensors (Basel) 2023, 13, 266.

Uvod

V mikrookolju tumorja se poleg tumorskih celic nahajajo tudi številne druge. V kontekstu izbranega članka je ključno omeniti predvsem bakterije in pa imunske celice. Analize bakterijskih populacij so razkrile, da tumorje kolonizirajo predvsem vrste iz rodov Clostridium, Bifidobacterium, Listeria, Escherichia in Salmonella. Pri slednji je potrebno izpostaviti organizem Salmonella enterica podvrsto enterica serotip Typhimurium, ki v primerjavi z zdravimi tkivi tumorje naseljuje zelo selektivno in v velikem številu. V tumorskem mikrookolju lahko lipopolisaharidi bakterij in provnetni citokini v imunskih celicah, predvsem makrofagih, inducirajo izražanje inducibilne NO sintaze (iNOS). Le-ta katalizira pretvorbo L-arginina v L-citrulin, pri čemer se tvori tudi NO. Avtorji članka so poskusili zasnovati nov način tarčnega dostavljanja izbranih genov do tumorskega tkiva. V ta namen so v S. Typhimurium pripravili stikalni sistem, ki se odziva na NO v tumorskem mikrookolju.

Princip delovanja stikalnega sistema

Za razumevanje delovanja stikalnega sistema, ki bo opisan v nadaljevanju, si najprej poglejmo regulator NorR in operon fim. Bakterija Escherichia coli se lahko zaščiti pred povišanimi koncentracijami NO v okolju tako, da začne sintetizirati encim NO reduktazo, ki reducira NO do manj reaktivnega N₂O, ki ne more poškodovati celice. Strukturna gena za NO reduktazo, imenovana norV in norW, sta del operona norRVW, kjer sta pod kontrolo inducibilnega promotorja. Navzgor od le-tega se nahaja zapis za regulator NorR, ki je sestavljen iz treh domen. V odsotnosti NO se NorR preko DNA vezavne domene na C-koncu veže na ojačevalna zaporedja na DNA. Pri tem N-končna domena zavzame konformacijo, ki preprečuje vezavo σ⁵⁴ podenote RNA polimeraze na osrednjo domeno NorR. Geni za NO reduktazo se torej v tem primeru ne izražajo. N-končna domena NorR vsebuje vezavno mesto za NO. Če je NO vezan na NorR, N-končna domena ne preprečuje več vezave RNA polimeraze in prepisovanje genov je možno.

Operon fim so odkrili v patogenem sevu E. coli, ki povzroča okužbo sečil. Sestavljen je iz sedmih strukturnih genov, ki zapisujejo za proteine pilusov tipa 1. Navzgor of strukturnih genov se nahaja zaporedje, imenovano fimS. FimS vsebuje promotorsko zaporedje, ki ga obdajata leva in desna obrnjena ponovitev (IRL oz. »inverted repeat left« in IRR oz. »inverted repreat right«). Navzgor od zaporedja fimS se pod kontrolo konstitutivnih promotorjev nahajata še zapisa za rekombinazi FimB in FimE. V neaktivnem stanju (stanje »OFF«), ko do izražanja strukturnih genov ne prihaja, je promotorsko zaporedje usmerjeno v nasprotno smer od strukturnih genov, proti IRL. Do aktivacije (stanje »ON«) pride, ko rekombinaza FimB invertira zaporedje fimS proti IRR tako, da promotorsko zaporedje omogoča prepisovanje strukturnih genov. Preklop v neaktivno stanje lahko izvede bodisi FimB bodisi FimE, ki invertira promotorsko zaporedje tako, da je ponovno usmerjeno proti IRL. Ključno je predvsem to, da lahko FimE invertira promotorsko zaporedje fimS samo, če je usmerjeno proti IRR. FimE torej v odsotnosti FimB, ki bi lahko vrnil sistem v prvotno stanje, katalizira ireverzibilno inverzijo promotorskega zaporedja.

Za pripravo bakterij S. Typhimurium, ki se bodo odzivale na NO, so uporabili zapise za regulator NorR in inducibilni promotor P_norV iz operona norRVW ter rekombinazo FimE in zaporedje fimS iz operona fim. Bakterije so transformirali z dvema plazmidoma, ki so ju poimenovali pSRluc8 in pFimE. pFimE je vseboval zapis za rekombinazo FimE pod kontrolo inducibilnega promotorja PnorV. Zapis za regulatorni protein NorR se je nahajal na plazmidu pSRluc8 in je bil pod kontrolo konstitutivnega promotorja P_lacIq. Na plazmidu pSRluc8 se je nahajal tudi zapis za reporterski protein, ki je bila v tem primeru ena od variant luciferaze iz organizma Renilla, imenovana Rluc8. Rluc8 je bil pod kontrolo promotorja v zaporedju fimS, ki pa je bil v plazmid vstavljen tako, da je bilo promotorsko zaporedje usmerjeno proti IRL in v nasprotno smer kot zapis za reporterski protein. Pri tako opisani orientaciji do izražanja reporterskega gena naj ne bi prihajalo.

NorR naj bi se v celicah konstitutivno izražal. Ko bi bil NO prisoten, naj bi se vezal na NorR in omogočil vezavo RNA polimeraze, kar bi sprožilo prepisovanje zaporedja za FimE na plazmidu pFimE. Rekombinaza FimE naj bi nato katalizirala inverzijo promotorskega zaporedja v zaporedju fimS, kar bi omogočilo izražanje luciferaze Rluc8 na plazmidu pSRluc8. Ob prisotnosti NO in substrata koelenterazina bi torej morali zaznali bioluminiscenčni signal.

Rezultati

Rezultati in vitro

Delovanje stikalnega sistema so najprej potrdili in vitro. V ta namen so kot vir NO uporabili mešanico dietilentriamin/NO, ki so jo pri različnih koncentracijah dodali v gojišče. Transformirane bakerije so gojili 16 h pri 37°C, dodali substrat za Rluc8 in izmerili intenziteto bioluminiscence. Le-to so nato normirali glede na izmerjeno optično gostoto pri 600 nm in potrdili, da pri višjih koncentracijah NO dobljen signal narašča. Kot negativno kontrolo so uporabili bakterije, ki so jih transformirali samo s plazmidom pSRluc8. V tem primeru bioluminiscence niso zaznali niti pri najvišjih koncentracijah NO, kar pomeni, da do izražanje Rluc8 ni prišlo. To se je ujemalo s pričakovanji, saj bakterije niso vsebovale zapisa za FimE, ki bi lahko invertiral promotorsko zaporedje v fimS.

V nadaljevanju so želeli preveriti, ali je aktivacija stikalnega sistema ireverzibilna. V ta namen so bakterije čez noč gojili v gojišču z znano koncentracijo dietilentriamina/NO in jih nato naslednji dan prenesli v gojišče, kjer NO ni bil prisoten. V naslednjih 72 urah so odvzemali vzorce in merili intenziteto bioluminiscence ter jo ponovno normirali glede na OD600. Dobljen signal je bil približno 200-krat močnejši kot pri negativni kontroli. To je potrdilo, da je stikalni sistem ireverzibilno v aktivnem stanju tudi po izgubi stimulacije z NO. Poleg tega se aktivno stanje stikalnega sistema prenaša s celično delitvijo na hčerinske celice.

Rezultati in vivo

Za in vivo eksperimente so uporabili Balb/C miši, ki so jim v podkožje implantirali tumorske celice linije CT-26. Najprej so želeli preveriti, ali bakterije S. Typhimurium, transformirane s plazmidoma pSRluc8 in pFimE, specifično kolonizirajo tumorje in sprožijo imunski odziv v miših. V miši so injicirali 1*10⁷ CFU bakterij in miši čez 1, 3, 5, 7 ali 11 dni evtanazirali. V izoliranih tumorjih so določili število bakterij S. Typhimurium naredili primerjavo s tremi zdravimi organi (pljuča, vranica, jetra), ki so služili kot kontrola selektivnosti kolonizacije. Že prvi dan po injiciranju bakterij je bilo njihovo število v tumorjih približno 10 000-krat višje kot v kontrolnih organih. Z podaljševanjem časa med injiciranjem bakterij in evtanazijo miši je število bakterij v tumorju in kontrolnih organih padalo, vendar je bilo tudi na 11. dan v tumorju število bakterij višje.

Sprožitev imunskega odziva v miši so določali z merjenjem koncentracije provnetnih citokinov IFN-γ, TNF-α in IL-1β v tumorskem tkivu. V ta namen so uporabili test ELISA. Meritve so izvajali 1,3,5 in 7 dni po injiciranju bakterij. Kot negativno kontrolo so v miši injicirali PBS. Koncentracija TNF-α in IL-1β je bila višja kot pri negativni kontroli že po enem dnevu, medtem ko je bila koncentracija IFN-γ višja od negativne kontrole šele po treh dneh. S časom so koncentracije vseh treh citokinov padale, vendar so bile tudi na sedmi dan še vedno višje kot pri negativni kontroli.

Nato so želeli preveriti, ali je možno stikalni sistem uporabiti za tarčno in vivo dostavo genov na mesto tumorja. V ta namen so miši injicirali s plazmidoma pSRluc8 in pFimE ali zgolj z pSRluc8 (negativna kontrola). Pred meritvijo intenzitete bioluminiscence so mišim injicirali tudi koelenterazin. Intenziteta bioluminiscence na mestu tumorja je naraščala do sedmega dneva po injiciranju bakterij transformiranih z obema plazmidoma. Razlika v primerjavi z negativno kontrolo je bila v tem časovnem intervalu statistično signifikantna. To pomeni, da je stikalni sistem ostal aktiven oz. da je prišlo do izražanja reporterskega gena tudi, ko so koncentracije provnetnih citokinov že začele upadati.

Nazadnje so želeli preveriti še, ali je NO v tumorskem mikrookolju posledica delovanja inducibilne NO sintaze. Tri dni pred injiciranjem bakterij, transformiranih z obema plazmidoma, so začeli mišim vsakodnevno intraperitonalno vnašati inhibitor iNOS, imenovan 1400W dihidroklorid. Inhibitor so vsakodnevno vnašali tudi po injiciranju bakterij. Kot kontrolo so uporabili miši, ki so jim injicirali bakterije, ne pa tudi inhibitorja. Bioluminiscenčni signal so merili 3, 5, 7 in 9 dni po injeciranju bakterij. Vse dni merjenja je bila ntenziteta bioluminiscence višja pri miših brez inhibitorja iNOS. S tem so potrdili, da je inducibilna NO sintaza sintetizirala NO, ki je aktiviral stikalni sistem.

Zaključek

V članku so v organizmu Salmonella enterica podvrsti enterica serotipu Typhimurioum zasnovali stikalni sistem, ki se odziva na NO. Funkcionalnost stikalnega sistema so potrdili in vitro, kjer se je odzival na kemijski vir NO, ki je sprožil ireverzibilno aktivacijo stikalnega sistema. Aktivacija se je ohranila tudi po odvzemu NO iz gojišča, pri celični delitvi pa se je prenesla na hčerinske celice. In vivo so potrdili, da S. Typhimurioum, ki nosijo zapis za stikalni sistem, specifično kolonizirajo tumorsko tkivo. Stikalni sistem se je v tem primeru specifično aktiviral z NO, ki ga je sintetizirala inducibilna NO sintaza. Rezultati raziskave namigujejo, da bi v prihodnosti lahko izkoristili NO kot inducer za tarčno dostavo genov oz. proteinov, ki jih zapisujejo, do mesta tumorjev. Na ta način se nam odpira možnost za razvoj novih dostavnih sistemov za zdravljenje raka.

Viri

[1] Y. Qin, S.-H. You, Y. Zhang, A. Venu, Y. Hong, J.-J. Min: Genetic Programming by Nitric Oxide-Sensing Gene Switch System in Tumor-Targeting Bacteria. Biosensors (Basel) 2023, 13, 266.

[2] M. T.-Q. Duong, Y. Qin, S.-H. You, J.-J. Min: Bacteria-Cancer Interactions: Bacteria-Based Cancer Therapy. Exp Mol Med 2019, 51, 1–15.

[3] Q. Xue, Y. Yan, R. Zhang, H. Xiong: Regulation of INOS on Immune Cells and Its Role in Diseases. Int J Mol Sci 2018, 19, 3805.

[4] A. M. Gardner, C. R. Gessner, P. R. Gardner: Regulation of the Nitric Oxide Reduction Operon (NorRVW) in Escherichia Coli. Journal of Biological Chemistry 2003, 278, 10081–10086.

[5] W. R. Schwan: Regulation of Fim Genes in Uropathogenic Escherichia Coli. World J Clin Infect Dis 2011, 1, 17.