Molecular Mechanisms оf Persistence оf Bacteria

Cover Page


Cite item

Full Text

Abstract

A significant mortality rate from infectious diseases is largely mediated by the widespread and uncontrolled use of antibiotics, which has led to the emergence of drug-resistant strains of bacteria. The rapid evolution of bacterial resistance to antimicrobials is a serious challenge for modern health care, mediates the need to create new antibiotic agents, as well as to intensify the study of molecular mechanisms underlying the formation of microorganism resistance. One of these mechanisms is bacterial persistence, manifested by the formation of persistent cells in the culture, which are a phenotypic variant of the isogenic population. The persistence of bacteria can occur spontaneously, regardless of exposure to antimicrobials or environmental reasons, such as lack of nutrients, oxidative stress or hypoxia. This small cell subpopulation is able to maintain viability even in the presence of antimicrobial agents at concentrations many times higher than therapeutic. The presence of persistent cells of pathogenic bacteria in the host organism reduces the effectiveness of antibiotic treatment, not due to the genotypic drug resistance of the microorganism, but due to the presence of phenotypic resistance of persister cells. The difference is fundamental, since cell-persisters are insensitive to any antibiotics and the development of fundamentally new antimicrobial strategies is necessary for their eradication. Persister cells are phenotypic variants of the maternal culture of bacteria that are present in all populations of microorganisms, and after the onset of favorable conditions, they are able to reclaim and form a new generation of vegetative bacteria. This review discusses modern concepts of the molecular genetic mechanisms of bacterial persistence with an emphasis on their clinical significance for the occurrence of persistent infections, and discusses innovative technologies for the eradication of resistant cell forms of microorganisms.

Full Text

Введение

Вскоре после открытия и триумфального при­менения для лечения бактериальных инфекций ан­тибиотиков, ознаменовавших начало новой исто­рической эпохи в медицине, американский микро­биолог Gladys L. Hobby (1942) впервые обратила внимание на загадочное явление — отсутствие пол­ной стерилизации пенициллином культуры S. aureus [1]. Небольшая выжившая часть клеток продолжала оставаться жизнеспособной, а при наступлении благоприятных условий давала начало новой ми­кробной популяции — такой же чувствительной к антибиотику.

Это наблюдение стало убедительным доказа­тельством того, что новая популяция бактерий со­хранила биологические свойства материнской куль­туры и не представляет собой генетически моди­фицированный пенициллин-резистентный штамм, а выжившие клетки являются его фенотипической разновидностью. Выявленная генерация клеток под влиянием антибиотикотерапии временно изменила свои биологические свойства, свела к минимуму метаболическую и репродуктивную активность для последующего возрождения погибшей популяции. Удивительная устойчивость этих клеток к антибио­тикам не стала наследуемым признаком, а природа этого феномена имеет совершенно иные механиз­мы, чем природная резистентность бактерий к ан­тимикробным препаратам, опосредуемая генетиче­скими мутациями.

Спустя 2 года J.W. Bigger (1944) получил ана­логичные результаты и назвал выжившую субпо­пуляцию бактерий клетками-персисторами («неделящиеся, бездействующие клетки») [2]. Однако на волне эйфории от успехов применения антибио­тиков в 1940-1970-е гг. работы G.L. Hobby и J.W. Bigger не получили должного внимания, и дальней­шие исследования клеточной персистенции пре­кратились [3, 4]. Кроме того, клетки-персисторы не культивировались на обычных питательных средах и не проявляли метаболическую активность, что за­трудняло их выявление и изучение традиционными микробиологическими методами [4, 5] (рис. 1).

 

Рис. 1. Субпопуляция персисторных клеток бактерий является устойчивой к антибиотикам.После гибели большей части вегетативных бактерий и окончания антибиотикотерапии клетки-персисторы восстанавливают популяцию материнской культуры клеток.

Fig. 1. A subpopulation of persistent bacteria cells is resistant to antibiotics. After the death of most vegetative bacteria and the end of antibiotic therapy, persister cells restore the population of maternal cell culture.

 

На рубеже ХХ и XXI вв. появление устойчивых к антимикробным препаратам штаммов патоген­ных бактерий стало серьезной угрозой глобально­му здравоохранению, и с трибуны ВОЗ заговорили о грядущем закате эры антибиотиков. В последние десятилетия на фоне роста инфекционной патоло­гии заболевания все чаще стали принимать затяж­ной или хронический характер и ассоциироваться с условно-патогенными микроорганизмами и госпи­тальным заражением пациентов [6].

В сложившихся условиях поиск и создание но­вых антибиотиков становится все более сложным, все менее перспективным и экономически нерен­табельным процессом. А для эффективной борьбы с резистентностью бактерий требуются разработка инновационных антимикробных стратегий, новые мишени и решения. Одним из перспективных подходов является изучение персистенции бактерий. Растущий научный интерес к этому биологическому феномену стал особенно заметен на фоне появления новых сведений о молекулярно-генетических меха­низмах, лежащих в основе их устойчивости [3, 5, 6].

В этом обзоре рассматриваются современные концепции молекулярно-генетических механизмов персистенции бактерий с акцентом на их клиниче­ском значении для возникновения персистирующих инфекций, обсуждаются инновационные техноло­гии эрадикации устойчивых клеточных форм ми­кроорганизмов.

Персистенция бактерий

Одними из ключевых признаков жизнеспособ­ности любой прокариотической клетки являются согласованное воспроизведение интрацеллюлярных структур и синтез макромолекул. Однако от­крытие в середине ХХ в. феномена персистенции бактериальных клеток и последующее его изучение позволили расширить представление об адаптаци­онных стратегиях микроорганизмов и механизмах сохранения ими патогенного потенциала [7-10].

Впоследствии было показано, что большин­ство бактериальных культур, находясь в стационар­ной фазе роста и благоприятных условиях, имеет небольшую (1-3%) неделящуюся фенотипическую субпопуляцию персисторов, биологической функ­цией которых является сохранение популяции в случае внезапно наступивших изменений условий среды обитания [5, 6, 11].

Помимо постоянного присутствия этой кле­точной субпопуляции в любой культуре прокариот, увеличение их численности происходит в ответ на возникающую угрозу любых неблагоприятных фак­торов среды обитания. Кроме уже обсуждавшегося влияния антимикробных средств, это могут быть дефицит (отсутствие) питательных веществ, оксидативный стресс, гипоксия, изменение температу­ры [6, 9, 10].

В зависимости от условий существования, фа­зы роста и условий среды обитания микробной по­пуляции происходит постоянная трансформация ве­гетативных форм в генерацию клеток-персисторов и обратно [3, 4]. При этом численность бездейству­ющей популяции может значительно варьировать, а в условиях дефицита (отсутствия) питательных веществ достигать почти тотального перехода всей популяции в состояние персистенции [12]. Биоло­гическое значение присутствия и образования этих анабиотических клеточных генераций заключается в сохранении популяций после длительного и экс­тремального по величине воздействия неблагопри­ятных факторов [7, 8, 13].

В процессе жизнедеятельности вегетативные (активные) бактериальные клетки популяций могут трансформироваться в персистентный фенотип и обратно, при этом скорость этих реверсий ориенти­рована на фазы роста и условия среды обитания [3, 7, 8].

На основании полученных данных был сделан вывод о более широкой биологической функции клеток-персисторов и связи индукции генерации этой бактериальной субпопуляции не только с влия­нием антибиотиков. Например, феномен персистенции бактерий в последние годы все чаще рассма­тривается в качестве универсальной адаптационной («оборонительной») стратегии микроорганизмов в ответ на конкурентный стресс, являющейся резуль­татом межвидовых взаимодействий и имеющей большое значение для сохранения популяции в со­обществе с доминантными видами [14-16].

За десятилетия изучения феномена персистен- ции бактерий установлено, что клетки-персисторы, в отличие от вегетативных клеточных форм, находятся в состоянии метаболического и репро­дуктивного покоя. Это позволяет им уклоняться от врожденных механизмов иммунной защиты ор- ганизма-хозяина и сохранять жизнеспособность после воздействия экстремальных факторов среды обитания, в том числе влияния антибиотиков, мно­гие из которых активны по отношению только к де­лящимся клеткам [8, 13, 15]. Механизмы большин­ства из них нацелены на ингибирование ключевых внутриклеточных звеньев метаболизма и репродук­ции: синтеза белков, клеточной стенки и реплика­ции нуклеиновых кислот [17].

Безусловно, наличие в организме неактивных устойчивых клеточных форм патогенных бактерий в значительной степени способствует возникнове­нию персистирующих инфекций и их возможных последствий: увеличению заболеваемости и смерт­ности от самой инфекции, а также повышенному риску ее распространения [13, 14, 18]. Наличие в организме этой бездействующей генерации бак­терий снижает эффективность антибиотического лечения, что опосредовано не генетической лекар­ственной устойчивостью микроорганизма, а рези­стентностью фенотипического варианта изогенной популяции — клеток-персисторов. Таким образом, в отличие от генотипической резистентности микроорганизмов, устойчивость при персистенции бактерий временна и обратима. Различие принци­пиальное, поскольку персисторы не чувствитель­ны к любым антибиотикам, а для их эрадикации необходима разработка принципиально новых ан­тимикробных стратегий. Поэтому лечение персистирующих инфекций затруднено и, как правило, связано с необходимостью продолжительных или многократных курсов антимикробной терапии [3, 4, 17, 18].

В последние десятилетия установлено, что персистенция является универсальным явлением. Она обнаружена не только у бактерий и архей, но и у вирусов [19], грибов [20], одноклеточных водоро­слей [21], раковых клеток [22], семян растений [23], что предполагает наличие общих закономерностей и общебиологическое значение этого феномена для выживания систем в различных стрессовых услови­ях [5, 7, 24].

Формирование в бактериальной культуре ге­нерации клеток-персисторов хорошо объясняет инновационная парадигма фенотипической гете­рогенности популяций, являющейся чаще всего следствием спонтанного механизма молекулярного стохастического переключения фенотипа во время экспоненциальной или стационарной фазы роста микроорганизмов [5, 11, 12]. Однако формирование персисторов может быть опосредовано и адаптив­ными механизмами в ответ на экстремальные усло­вия среды обитания, а также в начале стационарной фазы при нутриентном истощении [5, 13, 15]. Это приводит к появлению фенотипической гетероген­ности, которая повышает жизнеспособность бакте­риальной популяции [14, 25-27].

Феномен персистенции бактерий согласуется с гипотезой континуума клеточного покоя. Согласно этой гипотезе, образование клеток-персисторов на­ряду с формированием жизнеспособных, но некультивируемых (viable but non-culturable, VBNC) кле­точных форм бактерий рассматривается в качестве одного из наиболее распространенных способов выживания бактерий в неблагоприятных условиях [28-30].

Сходство обстоятельств формирования и мор­фологических признаков указывает на достаточно близкое родство этих устойчивых клеточных форм, однако есть экспериментальные данные, показы­вающие, что VBNC является формой более глубо­кого покоя. Для восстановления параметров роста этих жизнеспособных, но некультивируемых бакте­рий после прекращения действия стрессора необхо­димо больше времени (до суток и более), тогда как клетки-персисторы рекультивируются после завершения антибиотикотерапии на плотных питатель­ных средах в течение нескольких часов [28, 30, 31]. Это обстоятельство позволило некоторым авторам предположить, что клетки-персисторы являются переходной формой трансформации в VBNC-состо­яние [12].

Некоторые авторы [28-30] ставят знак равен­ства между клетками-персисторами и VBNC, объе­диняя их на основании сходства обстоятельств фор­мирования, морфологических, физиологических признаков, а также молекулярно-генетических ме­ханизмов возникновения.

Молекулярно-генетические механизмы персистенции бактерий

Еще в 1950-е гг. исследователи задавались вопросом о функционировании отдельных клеток микроорганизмов. Этот интерес был основан на интуитивном понимании того, что физиология от­дельных клеток в изогенных популяциях бактерий может отличаться от большинства других. Несмо­тря на то что бактериальная персистенция извест­на уже около 80 лет, генерация клеток-персисторов изучена мало. Технические проблемы с получением лабораторной модели дормантных клеток и невоз­можность их культивирования на обычных пита­тельных средах дополнялись отсутствием чувстви­тельных аналитических инструментов для изучения персистенции бактерий [11, 13, 28].

Значительные достижения молекулярной био­логии и генетики в начале XXI в. расширили пред­ставления о молекулярно-генетических механиз­мах, лежащих в основе персистенции бактерий. С появлением и развитием концепции микробиоло­гии отдельных клеток (single-cell microbiology) бы­ли разработаны новые аналитические инструменты и методы одноклеточной изоляции (раман-спектрометрия, микрофлюидика, проточная цитометрия, компартментализация) [32-34]. Появилась возмож­ность выделять и выращивать ранее некультивируемые одиночные клетки для проведения оценки жиз­неспособности, а также мониторинга физиологии и функций отдельных клеток, что было невозможно 10-15 лет назад [35-39].

В зависимости от целей и задач исследований эти методы сочетаются с секвенированием РНК (scRNA-seq), а также с генетическим, макромолекулярным, пространственным, протеомным профи­лированием одиночных клеток [35-37]. С помощью этих методов установлено, что в регуляции обра­зования клеток-персисторов принимают участие различные независимые молекулярные механизмы [40-43].

Каждый из этих механизмов приводит к фор­мированию в популяции небольшой генерации дремлющих клеток. Например, реагируя на различ­ные внешние раздражители, бактерии используют сенсорные системы, трансформирующие внешние сигналы в модуляцию внутриклеточного содержа­ния вторичных мессенджеров-индукторов. Среди них внутриклеточные нуклеотидные молекулыалармоны (p)ppGpp (гуанозин пентафосфат и гуанозин тетрафосфат). Они играют ключевую роль в ответе бактериальной клетки на внешние раз­дражители, выполняя функцию одного из основ­ных медиаторов «строгого контроля» и регулятора активности метаболизма [42-45]. В свою очередь, концентрация этих молекул в клетке регулируется ppGpp-синтазами, активность которых зависит от содержания аминокислот, при непосредственном участии суперсемейства гормонов RelA/SpoT, син­тезирующих ppGpp [42, 44, 46].

Эти молекулы опосредуют формирование клеток-персисторов путем изменения активности ряда ферментов, в первую очередь ДНК-праймазы, лизиндекарбоксилазы, РНК-полимеразы и др., а также в качестве сигнальных молекул регулируют скорость репликации бактерий и их метаболиче­скую активность [44, 47, 48]. Кроме того, вторич­ный мессенджер (p)ppGpp был идентифицирован как регулятор активности многочисленных генети­ческих оперонов, кодирующих токсин-антитоксиновые системы (ТАС) прокариот, открытых в кон­це ХХ в. [49]. Их изучение позволило установить широкую распространенность у бактерий этих важнейших оперонов [28, 50-52]. Последующее установление связи ТАС с формированием фено­типа бактериальной персистенции стало мощным стимулом изучения этих генетических локусов, в значительной степени опосредующих устойчи­вость прокариот к антибактериальным препаратам [42, 43, 48].

За последние десятилетия выявлено, что гене­тические опероны ТАС состоят из двух промоторов, расположенных по соседству на хромосомах и плаз­мидах. Они регулируют синтез стабильного токси­на и нестабильного антитоксина, чувствительного к клеточным протеазам. В нормальных условиях эти системы представляют собой нетоксичный комплекс, в котором антитоксин блокирует комплемен­тарный токсин путем прямого связывания мРНК [42, 48].

Увеличение уровня (р)ppGpp вызывает сни­жение активности экзополифосфатаз и повыше­ние внутриклеточного содержания полифосфата. Эти высокомолекулярные полимеры при участии Lon-протеазы опосредуют деградацию антитокси­на, деполяризацию клеточных мембран, а также значительное ингибирование активности метабо­лизма и угнетение репродукции [46, 47, 51] (рис. 2).

 

Рис. 2. Молекулярно-генетические механизмы формирования фенотипа персистенции у бактерий.

Fig. 2. Molecular genetic mechanisms of the formation of the phenotype of persistence in bacteria.

 

При наступлении экстремальных условий оби­тания происходит деградация антитоксина гомо- олигомерной АТФ-зависимой Lon(La)-протеазой и двухкомпонентными протеазными системами ClpXP и ClpAP, в результате чего освобождается и активируется токсин. Клеточной мишенью актив­ного токсина становятся внутриклеточные фермен­ты, ингибирование которых опосредует значитель­ное замедление скорости синтеза белка и клеточной стенки, угнетение метаболизма и репликации ДНК бактерий, что приводит к частичной или полной их устойчивости к этиотропной антибактериальной терапии [43, 50].

Так, активация токсина RelE (локус RelEB), со­гласно данным [51], повышает устойчивость E. coli к ванкомицину в 10 тыс. раз, а высвобождение ток­сина YafQ (локус TA DinJ-YafQ) снижает чувстви­тельность этой же бактерии к цефалоспориновому антибиотику I поколения, цефазолину, в 2400 раз. При этом важно, что гены ТАС, расположенные на плазмидах, способны в биопленках переноситься горизонтально к другим патологическим микроор­ганизмам, придавая им устойчивость к антибиоти­кам [27, 48, 51].

К настоящему времени установлено существо­вание 6 типов модулей ТАС, которые отличаются строением антитоксинов и характером их взаимо­действия с комплементарными токсинами [42, 43, 48]. Первоначально ведущая роль в формировании клеточной персистенции отводилась наиболее изу­ченному модулю ТАС II типа и его локусу hipBA, содержащему первый открытый у E. coli ген устой­чивости бактерий hipA. В этом типе ТАС токсин и антитоксин являются протеинами [42, 46, 51]. Од­нако в дальнейшем показано участие и других ти­пов ТАС в формировании устойчивости бактерий [27, 52-54].

В различных типах ТАС используются разные механизмы активации токсина, что в итоге приво­дит к его высвобождению, замедлению метаболиз­ма и остановке репродуктивной активности, обра­зованию клеток-персисторов. Последующие иссле­дования показали, что и другие типы модулей ТАС вызывают сверхэкспрессию токсинов в дормантных клетках дикого штамма E. coli (локусы tisB-istR, hokB-sokB и др.) [43, 46, 47]. Чрезмерная активация токсинов приводит к разрушению и гибели клеток, а этот механизм предлагается в качестве одной из перспективных стратегий, направленных на борьбу с персистенцией бактерий и их фенотипической ре­зистентностью к антибиотикам.

Перспективные стратегии борьбы с персистенцией бактерий

Возрастающее клиническое значение персистенции бактерий делает все более актуальным по­иск принципиально иных стратегий, направленных на борьбу с дормантными формами патогенных ми­кроорганизмов, и альтернативных клеточных ми­шеней (таблица).

 

Современные стратегии, направленные на ингибирование бактериальной персистенции

Modern strategies aimed at inhibiting bacterial persistence

Мишень

Target

Механизм

Mechanism

Модель

Model

Ссылка

Link

Клетки-персисторы

Persister cells

ДНК-сшивающие агенты проникают в клетки-персисторы и убивают их (цисплатин и митомицин C)

DNA cross-linking agents penetrate and kill persistor cells (cisplatin and mitomycin C)

E. coli; Pseudomonas aeruginosa; S. aureus

55

Блокирование синтеза (p)ppGpp

Block synthesis (p)ppGpp

Связывание каталитических домены RelA/SpoT синтетическим аналогом Relacin

The binding of the catalytic domains RelA/SpoT synthetic analog Relacin

M. tuberculosis

47

Литическая протеаза ClpP

Lytic protease ClpP

Активация (модуляция активности) литической протеазы ClpP

Activation (modulation of activity) of the lytic protease ClpP

Staphylococcus aureus

56

Токсин-антитоксиновые модули типа II

Type II toxin antitoxin modules

Ингибирование образования комплекса ТАС, прямая активация токсина после введения биомолекул для связывания антитоксина

Inhibition of the formation of the TAS complex, direct activation of the toxin after the introduction of biomolecules for antitoxin binding

E. coli

52

 

Активация токсина mazE пептидными олигомерами нуклеиновых кислот

Activation of mazE toxin by nucleic acid peptide oligomers

Neisseria meningitidis

53

 

Фармацевтическое ингибирование трансляции антитоксинов антисмысловой РНК

Pharmaceutical inhibition of antisense RNA antitoxin translation

E. coli

51

 

Искусственная активация ТАС антисмысловыми пептидными олигомерами нуклеиновых кислот

Artificial TAS activation by antisense peptide nucleic acid oligomers

E. coli

57

С учетом устойчивости клеток-персисторов к традиционным антибиотикам для их эрадикации было предложено использовать разрешенные к применению противораковые препараты циспла- тин и митомицин С (образуют внутрицепочечные сшивки ДНК). Использование этих препаратов против устойчивых клеток клинических штаммов E. coli O157:H7 (EHEC), Pseudomonas aeruginosa и Staphylococcus aureus показало высокую эффектив­ность и перспективность для лечения хронических инфекций [55].

Открытие ключевой роли токсин-антитоксиновых модулей в физиологии бактерий, а также (p) ppGpp в формировании генерации устойчивых к ан­тибиотикам клеточных форм естественным образом связало одно из направлений научного поиска меха­низмов ингибирования образования клеток-персисторов с этими алармическими системами [43, 47, 48]. Например, K. Syal с коллегами [47] показали, что блокирование синтеза (p)ppGpp опосредуется связыванием активности каталитических доменов синтетаз/гидролаз RelA/SpoT этого мессенджера у Mycobacterium tuberculosis синтетическим анало­гом Relacin.

B.P. Conlon и соавт. [56] пришли к выводу, что ацилдепсипептидный антибиотик (ADEP4), моду­лируя активность протеазы ClpP, убивает персистирующие клетки, разлагая более 400 внутриклеточ­ных белков.

В последние годы как перспективная иннова­ционная стратегия было предложено использование ТАС в качестве антибактериальных внутриклеточ­ных мишеней [52, 53]. Научный интерес к ТАС в качестве антибактериальных стратегий обусловлен, с одной стороны, их широким распространением среди бактериальных геномов, а с другой — отсутствием в клетках эукариот, в частности ТАС не имеют аналогов у человека. Основные механизмы использования ТАС связаны с блокированием обра­зования (деградацией) антитоксина, что приводит к разрушению комплементарным токсином дочерней клетки («постсегрегационное убийство»). Другая группа стратегий связана с искусственной акти­вацией токсина или ингибированием образования ТАС [46, 57].

Заключение

Об окончательном раскрытии молекулярных механизмов персистенции бактерий пока говорить преждевременно. Их изучение находится в актив­ной стадии, и возможно, что в скором времени появятся новые противомикробные стратегии, на­правленные на эрадикацию клеток-персисторов, ко­торые расширят и дополнят существующие схемы традиционной антибиотикотерапии.

Однако рассчитывать на легкую борьбу с бак­териальной персистенцией, по-видимому, не стоит. Механизмы персистенции слишком избыточны и специфичны для каждого вида микроорганизмов, а единый и универсальный метод эрадикации устой­чивых клеток пока не просматривается.

На сегодняшний день наиболее успешные ре­зультаты были получены при использовании раз­личных метаболитов (например, маннита, глюкозы, кардиолипина и др.) для рекультивирования клеток-персисторов с последующей аминогликозидопосредованной эрадикацией [39, 40, 43].

Актуальность разработки методов борьбы с бактериальной персистенцией обоснована с пози­ции научной и практической значимости проблемы и экономической целесообразности. Лечение персистирующих инфекций, таких как туберкулез, тре­бует длительных курсов приема значительных доз антибиотиков. Создание комбинированных схем лечения, направленных на эрадикацию инфекцион­ного патогена и его устойчивых клеточных субпо­пуляций, позволит оптимизировать схемы лечения, снизить его стоимость и повысить эффективность.

×

About the authors

Boris G. Andryukov

Somov Research Institute of Epidemiology and Microbiology;
Pacific State Medical University

Author for correspondence.
Email: andrukov_bg@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-4456-808X

D. Sci. (Med.), leading researcher, Laboratory of molecular microbiology

Prof., Department of Medical Biochemistry and Biophysics, School of Biomedicine

Russian Federation

Irina N. Lyapun

Somov Research Institute of Epidemiology and Microbiology

Email: irina-lyapun@list.ru
ORCID iD: 0000-0002-5290-3864
PhD (Med.), researcher, Laboratory of molecular microbiology Russian Federation

References

  1. Hobby G.L., Meyer K., Chaffee E. Observations on the mechanism of action of penicillin. Proc. Soc. Exp. Biol. NY. 1942; 50(2): 281-5. DOI: http://doi.org/10.3181/00379727-50-13773
  2. Bigger J.W. Treatment of staphylococcal infections with penicillin by intermittent sterilization. Lancet. 1944; 244(6320): 497-500. DOI: http://doi.org/10.1016/S0140-6736(00)74210-3
  3. van den Bergh B., Michiels J.E., Fauvart M., Michiels J. Should we develop screens for multi-drug antibiotic tolerance? Expert. Rev. Anti. Infect. Ther. 2016; 14(7): 613-16. DOI: http://doi.org/10.1080/14787210.2016.1194754
  4. Rehab Mahmoud abd El-Baky. The future challenges facing antimicrobial therapy: resistance and persistence. Am. J. Microbiol. Res. 2016; 4(1): 1-15. DOI: http://doi.org/10.12691/ajmr-4-1-1
  5. Balaban N.Q., Merrin J., Chait R., Kowalik L., Leibler S. Bacterial persistence as a phenotypic switch. Science. 2004; 305(5690): 1622-5. DOI: http://doi.org/10.1126/science.1099390
  6. Lewis K. Persister cells. Annu. Rev. Microbiol. 2010; 64: 357- 72. DOI: http://doi.org/10.1146/annurev.micro.112408.134306
  7. van Teeseling M.C.F., de Pedro M.A., Cava F. Determinants of bacterial morphology: from fundamentals to possibilities for antimicrobial targeting. Front. Microbiol. 2017; 8: 1264. DOI: http://doi.org/10.3389/fmicb.2017.01264
  8. Kysela D.T., Randich A.M., Caccamo P.D., Brun Y.V. Diversity takes shape: understanding the mechanistic and adaptive basis of bacterial morphology. PLoS Biol. 2016; 14(10): e1002565. DOI: http://doi.org/10.1371/journal.pbio.1002565
  9. Kawai Y., Mercier R., Errington J. Bacterial cell morphogenesis does not require a preexisting template structure. Curr. Biol. 2014; 24(8): 863-7. DOI: http://doi.org/10.1016/j.cub.2014.02.053
  10. Harms A., Maisonneuve E., Gerdes K. Mechanisms of bacterial persistence during stress and antibiotic exposure. Science. 2016; 354(6318): aaf4268. DOI: http://doi.org/10.1126/science.aaf4268
  11. Maisonneuve E., Gerdes K. Molecular mechanisms underlying bacterial persisters. Cell. 2014; 157(3): 539-48. DOI: http://doi.org/10.1016/j.cell.2014.02.050
  12. Orman M.A., Brynildsen M.P. Inhibition of stationary phase respiration impairs persister formation in E. coli. Nat. Commun. 2015; 6: 7983. DOI: http://doi.org/10.1038/ncomms8983
  13. Randich A.M., Brun Y.V. Molecular mechanisms for the evolution of bacterial morphologies and growth modes. Front. Microbiol. 2015; 6: 580. DOI: http://doi.org/10.3389/fmicb.2015.00580
  14. Stubbendieck R.M., Straight P.D. Multifaceted interfaces of bacterial competition. J. Bacteriol. 2016; 198(16): 2145-55. DOI: http://doi.org/10.1128/JB.00275-16
  15. Gaivão M., Dionisio F., Gjini E. Transmission fitness in cocolonization and the persistence of bacterial pathogens. Bull. Math. Biol. 2017; 79(9): 2068-87. DOI: http://doi.org/10.1007/s11538-017-0320-3
  16. Dorosky R.J., Pierson L.S., Pierson E.A. Pseudomonas chlororaphis produces multiple R-Tailocin particles that broaden the killing spectrum and contribute to persistence in rhizosphere communities. Appl. Environ. Microbiol. 2018; 84(18): e01230- 18. DOI: http://doi.org/10.1128/AEM.01230-18
  17. Fisher R.A., Gollan B., Helaine S. Persistent bacterial infections and persister cells. Nat. Rev. Microbiol. 2017; 15(8): 453-64. DOI: http://doi.org/10.1038/nrmicro.2017.42
  18. Grant S.S., Hung D.T. Persistent bacterial infections, antibiotic tolerance, and the oxidative stress response. Virulence. 2013; 4(4): 273-83. DOI: http://doi.org/10.4161/viru.23987
  19. Randall R.E., Griffin D.E. Within host RNA virus persistence: mechanisms and consequences. Curr. Opin. Virol. 2017; 23: 35- 42. DOI: http://doi.org/10.1016/j.coviro.2017.03.001
  20. Böhm L., Torsin S., Tint S.H., Eckstein M.T., Ludwig T., Pérez J.C. The yeast form of the fungus Candida albicans promotes persistence in the gut of gnotobiotic mice. PLoS Pathog. 2017; 13(10): e1006699. DOI: http://doi.org/10.1371/journal.ppat.1006699
  21. Codony F., Miranda A.M., Mas J. Persistence and proliferation of some unicellular algae in drinking water systems as result of their heterotrophic metabolism: short communication. Water SA. 2003; 29(1): 113-6. DOI: http://doi.org/10.4314/wsa.v29i1.4953
  22. Pearl Mizrahi S., Gefen O., Simon I., Balaban N.Q. Persistence to anti-cancer treatments in the stationary to proliferating transition. Cell Cycle. 2016; 15(24): 3442-53. DOI: http://doi.org/10.1080/15384101.2016.1248006
  23. Long R.L., Gorecki M.J., Renton M., Scott J.K., Colville L., Goggin D.E., et al. The ecophysiology of seed persistence: a mechanistic view of the journey to germination or demise. Biol. Rev. Camb. Philos. Soc. 2015; 90(1): 31-59. DOI: http://doi.org/10.1111/brv.12095
  24. Yafremava L.S., Wielgos M., Thomas S., Nasir A., Wang M., Mittenthal J.E., et al. A general framework of persistence strategies for biological systems helps explain domains of life. Front. Genet. 2013; 4: 16. DOI: http://doi.org/10.3389/fgene.2013.00016
  25. van Boxtel C., van Heerden J.H., Nordholt N., Schmidt P., Bruggeman F.J. Taking chances and making mistakes: non-genetic phenotypic heterogeneity and its consequences for surviving in dynamic environments. J. R. Soc. Interface. 2017; 14(132): 20170141. DOI: http://doi.org/10.1098/rsif.2017.0141
  26. Smith S.E. Organisms as persisters. Theor. Pract. Biol. 2017; 9(14). DOI: http://doi.org/10.3998/ptb.6959004.0009.014
  27. Pu Y., Ke Y., Bai F. Active efflux in dormant bacterial cells — new insights into antibiotic persistence. Drug. Resist. Updat. 2017; 30: 7-14. DOI: http://doi.org/10.1016/j.drup.2016.11.002
  28. Kim J.S., Wood T.K. Tolerant, growing cells from nutrient shifts are not persister cells. mBio. 2017; 8(2): e00354-17. DOI: http://doi.org/10.1128/mBio.00354-1718. Available at: http://mbio.asm.org/content/8/2/e00354-17.long
  29. Ayrapetyan M., Williams T.C., Baxter R., Oliver J.D. Viable but non-culturable and persister cells coexist stochastically and are induced by human serum. Infect. Immun. 2015; 83(11): 4194- 03. DOI: http://doi.org/10.1128/IAI.00404-15
  30. Ayrapetyan M., Williams T., Oliver J.D. Relationship between the viable but nonculturable state and antibiotic persister cells. J. Bacteriol. 2018; 200(20): e00249-18. DOI: http://doi.org/10.1128/JB.00249-18
  31. Amato S.M., Fazen C.H., Henry T.C., Mok W.W., Orman M.A., Sandvik E.L., et al. The role of metabolism in bacterial persistence. Front. Microbiol. 2014; 5: 70. DOI: http://doi.org/10.3389/fmicb.2014.00070
  32. Ishii S., Tago K., Senoo K. Single-cell analysis and isolation for microbiology and biotechnology: Methods and applications. Appl. Microbiol. Biotechnol. 2010; 86(5): 1281-92. DOI: http://doi.org/10.1007/s00253-010-2524-4.
  33. Li M., Xu J., Romero-Gonzalez M., Banwart S.A., Huang W.E. Single cell Raman spectroscopy for cell sorting and imaging. Curr. Opin. Biotechnol. 2012; 23(1): 56-63. DOI: http://doi.org/10.1016/j.copbio.2011.11.019
  34. Mazutis L., Gilbert J., Ung W.L., Weitz D.A., Griffiths A.D., Heyman J.A. Single-cell analysis and sorting using droplet-based microfluidics. Nat. Protoc. 2013; 8(5): 870-91. DOI: http://doi.org/10.1038/nprot.2013.046
  35. Stuart T., Satija R. Integrative single-cell analysis. Nat. Rev. Genet. 2019; 20(5): 257-72. DOI: http://doi.org/10.1038/s41576-019-0093-7
  36. Peterson V.M., Zhang K.X., Kumar N., Wong J., Li L., Wilson D.C., Moore R., et al. Multiplexed quantification of proteins and transcripts in single cells. Nat. Biotechnol. 2017; 35(10): 936-9. DOI: http://doi.org/10.1038/nbt.3973
  37. Ramani V., Deng X., Qiu R., Gunderson K.L., Steemers F.J., Disteche C.M., et al. Massively multiplex single-cell Hi-C. Nat. Methods. 2017; 14(3): 263-6. DOI: http://doi.org/10.1038/nmeth.4155
  38. Tóth E.N., Lohith A., Mondal M., Guo J., Fukamizu A., Pourmand N. Single-cell nanobiopsy reveals compartmentalization of mRNAs within neuronal cells. J. Biol. Chem. 2018; 293(13): 4940-51. DOI: http://doi.org/10.1074/jbc.M117.800763
  39. Hong-Geller E., Micheva-Viteva S.N. Targeting bacterial persistence to develop therapeutics against infectious disease. DOI: http://doi.org/10.5772/59404 Available at: https:// www.intechopen.com/books/drug-discovery-and-development-from-molecules-to-medicine/targeting-bacterial-persistence-to-develop-therapeutics-against-infectious-disease
  40. Lin J.M., eds. Microfluidics for Single-Cell Analysis. Beijing, China: Springer Singapore; 2019. DOI: http://doi.org/10.1007/978-981-32-9729-6
  41. Michiels J.E., van den Bergh B., Verstraeten N., Michiels J. Molecular mechanisms and clinical implications of bacterial persistence. Drug. Resist. Updat. 2016; 29: 76-89. DOI: http://doi.org/10.1016/j.drup.2016.10.002
  42. Tian C., Semsey S., Mitarai N. Synchronized switching of multiple toxin-antitoxin modules by (p)ppGpp fluctuation. Nucleic. Acids. Res. 2017; 45(14): 8180-9. DOI: http://doi.org/10.1093/nar/gkx552
  43. Svenningsen M.S., Veress A., Harms A., Mitarai N., Semsey S. Birth and resuscitation of (p)ppGpp induced antibiotic tolerant persister cells. Sci. Rep. 2019; 9(1): 6056. DOI: http://doi.org/10.1038/s41598-019-42403-7
  44. Wood T.K. Combatting bacterial persister cells. Biotechnol. Bioeng. 2016; 113(3): 476-83. DOI: http://doi.org/10.1002/bit.25721
  45. Maisonneuve E., Castro-Camargo M., Gerdes K. (p)ppGpp controls bacterial persistence by stochastic induction of toxin-antitoxin activity. Cell. 2013; 154(5): 1140-50. DOI: http://doi.org/10.1016/j.cell.2013.07.048
  46. Manav M.C., Beljantseva J., Bojer M.S., Tenson T., Ingmer H., Hauryliuk V., et al. Structural basis for (p)ppGpp synthesis by the Staphylococcus aureus small alarmone synthetase RelP. J. Biol. Chem. 2018; 293(9): 3254-64. DOI: http://doi.org/10.1074/jbc.RA117.001374
  47. Syal K., Flentie K., Bhardwaj N., Maiti K., Jayaraman N., Stallings C.L., et al. Synthetic (p)ppGpp analogue is an inhibitor of stringent response in mycobacteria. Antimicrob. Agents. Chemother. 2017; 61(6): e00443-17. DOI: http://doi.org/10.1128/AAC.00443-17
  48. Hauryliuk V., Atkinson G.C., Murakami K.S., Tenson T., Gerdes K. Recent functional insights into the role of (p)ppGpp in bacterial physiology. Nat. Rev. Microbiol. 2015; 13(5): 298- 09. DOI: http://doi.org/10.1038/nrmicro3448
  49. Ogura T., Hiraga S. Mini-F plasmid genes that couples host cell division to plasmid proliferation. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1983; 80(15): 4784-8. DOI: http://doi.org/10.1073/pnas.80.15.4784
  50. Page R., Peti W. Toxin-antitoxin systems in bacterial growth arrest and persistence. Nat. Chem. Biol. 2016; 12(4): 208-14. DOI: http://doi.org/10.1038/nchembio.2044
  51. van Melderen L. Toxin-antitoxin systems: why so many, what for? Curr. Opin. Microbiol. 2010; 13(6): 781-5. DOI: http://doi.org/10.1016/j.mib.2010.10.006
  52. Lee K.Y., Lee B.J. Structure, biology, and therapeutic application of toxin-antitoxin systems in pathogenic bacteria. Toxins. 2016; 8(10): 305. DOI: http://doi.org/10.3390/toxins8100305
  53. Maleki A., Ghafourian S., Pakzad I., Badakhsh B., Sadeghifard N. MazE antitoxin of toxin-antitoxin system and fbpA as reliable targets to eradication of Neisseria meningitidis. Curr. Pharm. Des. 2018; 24(11): 1204‐10. DOI: http://doi.org/10.2174/1381612824666171213094730
  54. Cui P., Xu T., Zhang W.H., Zhang Y. Molecular mechanisms of bacterial persistence and phenotypic antibiotic resistance. Yi Chuan. 2016; 38(10): 859-71. DOI: http://doi.org/10.16288/j.yczz.16-213
  55. Chowdhury N., Wood T.L., Martínez-Vázquez M., García-Contreras R., Wood T.K. DNA-crosslinker cisplatin eradicates bacterial persister cells. Biotechnol. Bioeng. 2016; 113(9): 1984- 92. DOI: http://doi.org/10.1002/bit.25963
  56. Conlon B.P., Nakayasu E.S., Fleck L.E., LaFleur M.D., Isabella V.M., Coleman K., et al. Activated ClpP kills persisters and eradicates a chronic biofilm infection. Nature. 2013; 503(7476): 365-70. DOI: http://doi.org/10.1038/nature12790
  57. Równicki M., Pieńko T., Czarnecki J., Kolanowska M., Bartosik D., Trylska J. Artificial activation of Escherichia coli mazEF and hipBA toxin-antitoxin systems by antisense peptide nucleic acids as an antibacterial strategy. Front. Microbiol. 2018; 9: 2870. DOI: http://doi.org/10.3389/fmicb.2018.02870

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. A subpopulation of persistent bacteria cells is resistant to antibiotics.After the death of most vegetative bacteria and the end of antibiotic therapy, persister cells restore the population of maternal cell culture.

Download (580KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Molecular genetic mechanisms of the formation of the phenotype of persistence in bacteria.

Download (335KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2020 Andryukov B.G., Lyapun I.N.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
СМИ зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор).
Регистрационный номер и дата принятия решения о регистрации СМИ: ПИ № ФС77-75442 от 01.04.2019 г.


This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies