기계적 자극은 세포 외피 스트레스 감지 경로를 통해 유전자 발현을 활성화합니다.

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 13979(2023) 이 기사 인용

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기계적 민감성 메커니즘은 종종 조직 구조의 손상을 감지하고 매트릭스 합성 및 복구를 자극하는 데 사용됩니다. 이러한 종류의 기계적 조절 과정은 진핵생물 시스템에서는 잘 알려져 있지만, 박테리아에서는 그러한 과정이 일어나는지 여부는 알려져 있지 않습니다. 콜레라 비브리오균의 경우 항생제로 인한 내하중 세포벽 손상은 세포벽 합성을 자극하는 2성분 시스템 VxrAB에 의한 신호 전달 증가를 촉진합니다. 여기에서 우리는 세포 봉투 내의 기계적 스트레스의 변화가 항생제가 없을 때 VxrAB 신호 전달을 자극하기에 충분하다는 것을 보여줍니다. 우리는 미세 유체 장치 내 압출 로딩, 직접 압축 및 정수압의 세 가지 로딩 방식을 사용하여 개별 박테리아에 기계적 힘을 적용했습니다. 모든 경우에 형광 단백질 리포터에 의해 표시된 VxrAB 신호 전달은 더 큰 규모의 기계적 부하를 받은 세포에서 증가되었으므로 다양한 형태의 기계적 자극이 VxrAB 신호 전달을 활성화합니다. 엔도펩티다제 ShyA를 제거한 후 세포 봉투 강성이 감소하면 세포 봉투 변형이 크게 증가하고 VxrAB 반응이 실질적으로 증가하여 VxrAB의 반응성을 더욱 뒷받침합니다. 우리의 연구 결과는 박테리아의 기계 민감성 유전자 조절 시스템을 보여 주며 기계적 신호가 세포벽 항상성 조절에 기여할 수 있음을 시사합니다.

기계적 힘은 오랫동안 유기체의 성장과 기능에 중요한 기여자로 인식되어 왔습니다. 포유류 시스템에서 기계적 힘은 발달 중 세포 분화, 질병 시작 및 진행3, 조직 항상성4 등 다양한 과정을 조절합니다. 하중을 지탱하는 기능을 가진 조직과 기관에서 기계적 힘은 종종 조직 리모델링 및 복구를 시작하는 주요 신호로 작용하여 조직이 환경의 기계적 문제에 적응하고 신속하게 하중 지탱 상태로 돌아갈 수 있도록 합니다. 조직 리모델링은 손상된 조직의 제거와 조직 합성의 균형을 유지함으로써 기계적 기능의 항상성을 유지합니다. 뼈5, 혈관6 및 식물 세포골격7,8을 포함한 하중 지지 구조는 기계적 기능을 유지하기 위해 기계 감응 메커니즘을 사용합니다.

기계생물학에 대한 대부분의 연구는 진핵생물 시스템에 초점을 맞추고 있지만 최근 증거는 원핵생물에서 기계적 힘의 중요성을 강조하고 있습니다. 박테리아에서는 편모와 IV형 털을 포함한 세포외 부속물이 세포체에서 확장되어 환경의 기계적 신호를 감지하고 이에 반응합니다. 편모 모터 유닛 조립 및 분해는 외부 기계적 부하의 증가 및 감소에 반응합니다. 표면과의 접촉에 의한 편모 회전의 물리적 억제는 분자 모터 내에서 반력을 생성하여 표면 접착과 생물막 형성을 자극합니다. 유형 IV 필리는 환경과 상호 작용하기 위해 확장 및 수축되는 전동 섬유입니다. 또한, IV형 필리에 의한 기계적 감지는 생물막 형성14 및 독성 인자15의 방출을 촉진하고 충돌 후 운동성을 안내합니다.

세포 외피는 박테리아의 주요 하중 지지 구성 요소이며 기계적 힘에도 민감합니다. 세포막 내의 신장 활성화 이온 채널은 막 신장으로 인해 열림으로써 삼투압 변화에 빠르게 반응하여 저삼투압 충격 후 생존율을 증가시킵니다17. 세포 봉투 내의 기계적 응력과 변형은 봉투 투과 복합체의 조립에도 영향을 미칩니다. 예를 들어, 트랜스-엔벨로프 다성분 유출 펌프 CusCBA의 조립 및 기능은 셀 엔벨로프 내의 팔면체 전단 응력의 증가로 인해 손상됩니다. 세포 외피 내의 기계적 응력은 또한 구부러진 박테리아에서 새로운 세포벽이 삽입되는 위치에 영향을 미치며, 더 큰 인장 변형 영역에 더 많은 양의 세포벽이 삽입됩니다19,20. 세포 외피 내의 이러한 기계적 민감성 메커니즘은 잘 알려져 있지만, 지금까지 확인된 메커니즘 중 어느 것도 세포 외피의 필수 구성 요소인 세포벽의 리모델링과 관련된 유전자 발현을 조절하는 것으로 나타났습니다. 현재 다른 형태의 세포 스트레스와 연관된 유전자 조절 시스템도 기계 민감성일 수 있다는 가설이 세워졌으며 최근 보고서에 따르면 감금은 대장균에서 Rcs 신호 전달 및 박테리오파지에 대한 후속 저항성을 향상시키는 것으로 나타났습니다. 기계 민감성 메커니즘이 세포 외피의 리모델링과 항상성에 관여한다면 기계적 스트레스와 변형이 세포 외피 구성 요소의 합성을 조절할 것으로 예상됩니다.

50 MPa) causes changes to RNA synthesis and DNA replication and can cause cell death35; here we apply mild hydrostatic pressure of 0–100 kPa (a bacterium 10 m underwater experiences approximately 100 kPa hydrostatic pressure), in contrast a cell leaving a host gastrointestinal system and entering brackish water is expected to experience an increase in turgor pressure of 500 kPa. Hydrostatic pressure increases the compressive stresses perpendicular to the cell envelope. The magnitude of mechanical stresses caused by hydrostatic pressure are typically much smaller than the hoop and longitudinal stresses (oriented parallel to the cell envelope surface) generated by extrusion loading or compression, but under conditions of applied hydrostatic pressure can become noticeable. Hydrostatic pressure was applied to cells suspended in liquid media in a custom chamber connected to a microfluidic pump. After 2 h of incubation at room temperature, cells were removed and visualized. Average cell fluorescence increased 28% with increasing magnitude of applied compression force (Fig. 2E, left), supporting the idea that VxrAB signaling is also sensitive to hydrostatic pressure. Upon deleting the vxrB box in the promoter, cell fluorescence did not vary with applied hydrostatic pressure (Fig. 2E, right), confirming that the mechanosensitive increase in cell fluorescence for PmurJ:msfGFP cells required VxrB activation. As in the compression experiments, the PvxrAB:msfGFP reporter strain were consistent with the observations with PmurJ:msfGFP (Fig. 2F). The variance in fluorescence was greater than that seen in compression loading, a finding we attribute to the fact that mechanical stresses in the cell envelope are limited to radial compression and are not as well controlled (cell contact with the walls of the device and other cells is completely uncontrolled). As a result, the mechanosensitive response to hydrostatic pressure was dominated by a subset of cells (upper portion of cell population in Fig. 2E,F). We conclude that VxrAB signaling is responsive to diverse methods of applying mechanical load to the cell envelope./p> 0.80 µm) so the cells could flow freely through all of the feeder channels and would only get stuck in the narrow constriction of the tapered channels. The feeder channel etch depth was characterized using a profilometer (P-7, KLA Inc, Milpitas CA, USA). The profilometer tip was too wide to measure the tapered channels, so an atomic force microscopy high aspect ratio tip was used to measure the etch depth of tapered channels (Veeco Icon Bruker, Billerica MA, USA). Channel etch depth was 0.88 ± 0.03 µm. A scanning electron microscope (Zeiss Ultra 55 SEM microscope, Oberkocken Germany) was used to measure the tapered channel inlet width (1.48 ± 0.07 µm) and outlet width (0.35 ± 0.02 µm). The tapered channel inlet is wide enough that cells can enter, and the outlet is narrow enough to prevent cells from flowing out./p>