МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Пущинский государственный естественно-научный институт»
Факультет Микробиологии и биотехнологии
На правах рукописи
ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА
«Получение фактора реактивации покоящихся форм M. tuberculosis RpfB для
диагностики туберкулезной инфекции»
Направление подготовки
06.04.01 Биология
Профиль
«Микробиология и биотехнология»
Выполнил(а) студент(ка)
Научный руководитель
в.н.с., к.б.н.
Макарова А.О.
Грановский И.Э.
«Работа допущена к защите»:
Декан факультета
чл.-корр. РАН,
профессор
Пущино, 2021 г.
А.А. Леонтьевский
2
Содержание
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ ................................................................................. 5
ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................. 7
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ ............................................................................................ 9
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ..................................................................... 9
1.1. Mycobacterium tuberculosis ............................................................................. 9
1.1.1. Характеристика Mycobacterium tuberculosis ........................................... 9
1.1.2. Строение клеточной стенки Mycobacterium tuberculosis ...................... 9
1.1.3. Mycobacterium tuberculosis внутри макрофагов ................................... 11
1.1.4. Mycobacterium tuberculosis в гранулеме ................................................. 14
1.1.5. Дормантное состояние Mycobacterium tuberculosis.............................. 16
1.2. Белки Rpf-семейства.................................................................................... 19
1.2.1. Ферментативные и функциональные особенности Rpf-белков ...... 20
1.2.2. Rpf-белки M. tuberculosis ........................................................................ 22
1.2.3. RpfB M. tuberculosis ................................................................................... 23
1.1.3. Механизм действия RpfB ......................................................................... 25
1.3. Диагностика инфекции M. tuberculosis .................................................... 29
1.3.1. Диагностика активного туберкулеза .................................................... 30
1.3.2. Диагностика латентного туберкулеза ................................................... 31
3.3.3.Применение Rpf-белков в диагностике латентного туберкулеза .... 33
3
ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ...................... 35
2.1. Основные буферы и среды. Олигонуклеотидные праймеры ............. 35
2.2. Штаммы бактерий и бактериофагов, плазмидные вектора ............... 39
2.2. Методы исследования ................................................................................. 41
2.2.1. Полимеразная цепная реакция (ПЦР) .................................................. 41
2.2.2. Гидролиз ДНК эндонуклеазами рестрикции и лигирование
фрагментов ДНК ................................................................................................. 42
2.2.3. Получение компететных клеток E. coli и трансформация ............... 42
2.2.4. Анализ рекомбинантных клонов ........................................................... 43
2.2.5. Электрофорез ДНК в агарозном геле .................................................... 43
2.2.6. Выделение плазмидной ДНК и определение концентрации ............ 44
2.2.7. Конструирование плазмид ...................................................................... 44
2.2.8. Экспрессия ОРС TEV ............................................................................... 45
2.2.9. Очистка TEV-протеазы ........................................................................... 46
2.2.10. Экспрессия slyD/rpfB, slyD/rpfB-137, slyD/rpfBΔDUF ........................ 47
2.2.11. Очистка RpfB-белков ............................................................................. 47
2.2.12. Определение концентрации белков .................................................... 48
2.2.13. Электрофорез белков в ПААГ в денатурирующих условиях ........ 48
2.2.14. Электрофорез белков в ПААГ в нативных условиях ...................... 49
2.2.15. Получение дормантных клеток М. tuberculosis ................................. 49
4
2.2.16. ПЦР «в реальном времени» .................................................................. 50
2.2.17. Получение электрокомпетентных клеток M. smegmatis ................. 51
2.2.18. Электропорация M. smegmatis .............................................................. 51
2.2.19. Конструирование бактериофага D29_eGFP ...................................... 51
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ ............................................... 53
3.1. Клонирование rpfB, rpfB_137, rpfBΔDUF ................................................ 53
3.2. Экспрессия slyD/rpfB, slyD/rpfB_137, slyD/rpfBΔDUF ............................ 56
3.2. Экспрессия и очистка TEV-протеазы ...................................................... 58
3.3. Очистка белка SlyD/RpfB ........................................................................... 60
3.4. Очистка белка SlyD/RpfB_137 ................................................................... 62
3.5. Очистка белка SlyD/RpfBΔDUF ................................................................ 63
3.6. Анализ мономерного состояния RpfB, RpfBΔDUF ................................ 64
3.7. Проверка функциональной активности препарата белка RpfB ........ 66
3.7. Использование eGFP в качестве маркера экспрессии генов
микобактериофага D29 ...................................................................................... 70
3.8. Рекомбинация pSMT3-M_eGFP_63-64 с геномом фага D29 в клетках
M. smegmatis .......................................................................................................... 73
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................................................... 74
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ................................................................................. 77
5
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
ТБ
туберкулёз
M. tuberculosis
Mycobacterium tuberculosis
Rpf
resuscitation promoting factor
E. coli
Escherichia coli
DUF
Domains of Unknown Function
eGFP
enhanced green fluorescent protein
ПГ
пептидогликан
МК
миколовая кислота
M. smegmatis
Mycolicibacterium smegmatis
НАГ
N-ацетилглюкозамин
НАМ
N-ацетилмурамовая кислота
мДАП
мезо-диаминопимелиновая кислота
ИНФ-γ
интерферон-γ
Icl
изоцитрат-лиаза
M. luteus
Micrococcus luteus
Glu
глутаминовая кислота
Cys
цистеин
Rip A
Rpf-interacting protein A
ВОЗ
Всемирная
организация
здравоохранения
ТКП
туберкулиновая кожная проба
6
IGRA
анализ
на
высвобождение
интерферона γ
АГ
антиген
IL
интерлейкин
ФНО-α
фактор некроза опухоли α
w/v
вес/объем
v/v
объем/объем
ЭДТА
этилендиаминтетрауксусная
кислота
ТВЕ
трис-боратный буфер
ДНК
дезоксирибонуклеиновая кислота
ДСН
додецилсульфат натрия
ФМСФ
фенилметилсульфонилфлуорид
ПЦР
полимеразная цепная реакция
ОРС
открытая рамка считывания
п.н.
пара нуклеотидов
OД
оптическая плотность
ИПТГ
изопропилтио-β-D-галактозид
ПААГ
полиакриламидный гель
ТЕМЕД
тетраметилэтилендиамин
ПСА
персульфат аммония
БСА
бычий сывороточный альбумин
7
ВВЕДЕНИЕ
Туберкулёз
(ТБ)
до
сих
пор
остается
серьезной
проблемой
здравоохранения: по данным 2018 года зарегистрировано 10 миллионов
случаев заболевания в год, из которых 1,5 миллиона с летальным исходом.
Большинство людей, инфицированных M. tuberculosis, переносят латентный
ТБ. Передача туберкулёза от человека к человеку происходит через аэрозоли
инфекционных бацилл. По оценкам, 50 миллионов случаев заражения в год
поддерживают пул из ~ 2 миллиардов латентно инфицированных людей. В
некоторых случаях инфекция напрямую переходит в активный ТБ. Вместе с
реактивацией и повторным инфицированием это приводит к примерно 9
миллионам новых случаев туберкулёза ежегодно [61].
При латентной инфекции микобактерии находятся в так называемом
дормантном состоянии, которое характеризуется пониженной метаболической
активностью, неспособностью к росту на плотных питательных средах и
резистентностью к антибиотикам. Нередко (до 23% случаев), при латентной
инфекции происходит реактивация, т.е. переход возбудителя в активное
состояние, обусловленный различными факторами, в том числе активностью
Rpf-факторов (resuscitation promoting factor) [47].
Белок
RpfB
предположительно
вносит
наибольший
вклад
в
реактивацию, что представляет интерес для создания более эффективных
терапевтических вакцин, направленных как на активный, так и на латентный
ТБ [15]. Применение Rpf-факторов возможно для разработки новых
диагностических тестов и лечения латентного туберкулёза [23, 53].
RpfB способен расщеплять β-1-4-гликозидную связь между Nацетилглюкозамином
микобактериального
и
N-ацетилмурамовой
пептидогликана.
кислотой
Структурная
в
молекуле
организация
RpfB
включает каталитический домен, G5-домен, участвующий в адгезии, и три
DUF-домена (Domains of Unknown Function), функция которых на данный
момент неизвестна.
8
В ранних экспериментах было показано, что при экспрессии в клетках
E. coli белок RpfB нарабатывается преимущественно в тельцах включения.
Соответственно, целью нашей работы явилось получение функционального
препарата фактора реактивации покоящихся форм M. tuberculosis RpfB в
клетках E. coli.
Задачи:
1) Получить конструкции полноразмерного гена rpfB, а также
делеционных вариантов гена rpfB в области DUF-доменов для экспрессии в
клетках E. coli.
2) Получить препараты полноразмерного белка RpfB, а также его
делеционных вариантов.
3) Оценить функциональную активность препарата белка RpfB по
способности реактивировать дорматные клетки M. tuberculosis.
4) Провести дизайн и сконструировать рекомбинантную плазмиду для
инсерции
гена
зеленого
микобактериофага D29.
флуоресцентного
белка
eGFP
в
геном
9
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Глава 1. Обзор литературы
1.1. Mycobacterium tuberculosis
1.1.1. Характеристика Mycobacterium tuberculosis
Бактерия M. tuberculosis является возбудителем туберкулёза (ТБ), для
которого характерно 10 миллионов случаев заболевания в год, из которых 1,5
миллиона с летальным исходом (по данным 2018 года) [1, 66]. Среди
представителей рода Mycobacterium можно выделить несколько других
облигатных патогенов, прежде всего Mycobacterium leprae (возбудитель
проказы), Mycobacterium africanum (вызывает симптомы, подобные ТБ,
характеризуется более низкой патогенностью) и Mycobacterium bovis
(возбудитель ТБ крупного рогатого скота) [40].
M.
tuberculosis
является
грамположительным
факультативным
анаэробом, не способным к образованию спор. При оптимальных условиях
(Т=37°С, доступ кислорода и питательных веществ) время генерации
M. tuberculosis составляет 18–24 ч, образование колоний на твердой
питательной среде происходит в течении 3-4 недель. Данный патоген окружен
непроницаемой и толстой клеточной стенкой/капсулой, которая состоит из
пептидогликана (ПГ), полисахаридов, необычных гликолипидов и липидов.
Липиды и гликолипиды представлены в основном длинными цепями жирных
кислот, такими как миколовая кислота (МК) [16].
1.1.2. Строение клеточной стенки Mycobacterium tuberculosis
Клеточная стенка кислотоустойчивых микроорганизмов, к которым
относятся микобактерии, состоит из слоя ПГ, МК и арабиногалактана.
Клеточная стенка кислотоустойчивых микроорганизмов имеет сходство с
клеточной стенкой как грамположительных (Гр+), так и грамотрицательных
бактерий (Гр-). По толщине слоя ПГ микобактерий сходен с Гр+, однако
внешний восковой слой подобен наружной мембране Гр- (рис. 1) [39].
10
Рисунок 1. Различия в архитектуре клеточной оболочки грамположительных
(Гр+), кислотоустойчивых и грамотрицательных (Гр-) бактерий [39]
АГ - арабиногалактан; ГЛ - гликолипид; ЛАМ - липоарабиноманнан;
ЛП - липопротеин; ЛПС - липополисахарид; ЛТК - липотейхоевая кислота;
МК - миколовая кислота; МАБ – мембранно-ассоциированный белок;
НМ - наружная мембрана; ПГ - пептидогликан; ПM - плазматическая
мембрана; ТК - тейхоевая кислота.
Клеточная стенка играет ключевую роль во врожденной устойчивости
к антибиотикам и вирулентности микобактерий [8]. Данная структура
предположительно
эволюционировала
путем
последовательного
горизонтального переноса генов [69]. Ядро клеточной стенки M. tuberculosis
состоит из слоя ПГ, ковалентно связанного с арабиногалактаном, к которому
прикреплены уникальные миколовые кислоты (рис. 1). Внутри ядра и за его
пределами находятся свободные липиды, фосфатидил-инозитол маннозиды,
липоманнаны и липоарабиноманнаны.
ПГ M. tuberculosis представляет собой довольно динамическую
структуру, которая играет ключевую роль для роста клеток, межклеточной
коммуникации и инициации иммунного ответа хозяина [39]. Нарушение
синтеза ПГ или его расщепление приводит к образованию L-форм, которые
могут быть различными у микобактерий. ПГ состоит из гликановых нитей,
которые
чередуются
остатками
N-ацетилглюкозамина
(НАГ)
и
N-
11
ацетилмурамовой кислоты (НАМ), связанных друг с другом β-(1→4)гликозидными связями.
ПГ микобактерий подвергается некоторым модификациям. ПГ
M.
tuberculosis
и
M.
smegmatis
содержит
как
НАМ,
так
и
N-
гликолилмурамовую кислоту, тогда как большинство других бактерий,
включая M. leprae, содержат исключительно НАМ. Присутствие Nгликолилмурамовой кислоты повышает резистентность ПГ микобактерий к
лизоциму [37]. Пептидные цепочки ПГ подвергаются амидированию
карбоксильных
групп
диаминопимелиновой
уменьшают
D-изоглутамата
кислоты
отрицательный
эффективность
(мДАП)
заряд
антимикробных
(D-iGlu)
[37].
клеточной
препаратов
Эти
и
остатков
мезо-
модификации
стенки,
(лизоцим;
что
ПГ
понижает
антимикробные
пептиды; антибиотики, действующие на клеточную стенку) [39].
ПГ M. tuberculosis содержит особенно высокий процент (70-80%)
сшитых пептидов, по сравнению с E. coli (40-50%) Одна треть пептидных
поперечных связей-это DD-(или 4→3) связи между D-Ala и мДАП, и около две
трети составляют LD-(или 3→3) связи, связывающие два остатка мДАП [20].
LD-связи относительно редко встречаются у других видов бактерий, однако на
их долю приходится 80% пептидных сшивок в ПГ дормантных клеток
M. tuberculosis [30, 56].
1.1.3. Mycobacterium tuberculosis внутри макрофагов
Макрофаги – ключевые клетки врожденного и адаптивного звена
иммунной
системы,
способные
распознавать,
поглощать
и
убивать
инфицирующие агенты, очищать организм от собственных продуктов распада
и отмирающих клеток, регулировать процессы воспаления и регенерации [82].
Макрофаги обладают способностью к фагоцитозу, процессу поглощения
клеткой различных частиц и заключения их в специализированную вакуоль,
называемую фагосомой. Чаще всего фагоцитоз завершается перевариванием
12
поглощенного материала. Однако это происходит не всегда, и в таком случае
говорят о незавершенном фагоцитозе (например, сохранение и размножение
микобактерий внутри фагосом). Процесс фагоцитоза подразделяют на
несколько стадий: 1. Хемотаксис; 2. Адгезия; 3. Активация; 4. Погружение
частицы; 5. Образование фагосомы; 6. Формирование фаголизосомы; 7.
Уничтожение объекта фагоцитоза; 8. Выброс непереработанных продуктов
деградации из клетки.
Активация
заключается
в
мощном
усилении
метаболических
процессов в фагоцитирующей клетке. Одним из последствий активации
фагоцитов является «респираторный взрыв» - процесс образования продуктов
частичного восстановления кислорода, свободных радикалов, перекисей и
других продуктов, обладающих высокой бактерицидной активностью,
способных уничтожить бактериальные клетки [78].
Совокупность
условий
внутри
фаголизосомы
направлена
на
подавление метаболизма бактерий. Кислое значение рН – оптимум для
ферментов, действующих на липиды и белки бактерий. Заключительные этапы
уничтожения и элиминации бактерий требуют слияния фаголизосом. На все
описанные пути влияет иммунный статус хозяина. Активация макрофагов с
помощью цитокинов, в частности интерферона-γ (ИНФ-γ), позволяет
макрофагам контролировать внутриклеточных паразитов [16].
Впоследствии содержимое фагосомы может быть обработано для
презентации антигенов Т-лимфоцитам с помощью системы главного
комплекса гистосовместимости для реализации адаптивного иммунного
ответа. Т-лимфоциты имеют решающее значение для контроля латентного ТБ.
Неспособность Т-лимфоцитов осуществлять данный контроль может
привести к реактивации, переходящей в активный ТБ [78].
Успешному существованию M. tuberculosis в организме человека
способствует: 1) Перепрограммирование макрофагов после первичной
13
инфекции или фагоцитоза для предотвращения собственной гибели; 2)
Образование гранулем; 3) Переход в дормантное состояние [16].
Заражение человека M. tuberculosis происходит при аэрозольном
способе передачи инфекции. Попадая в легкие, возбудитель поглощается с
помощью фагоцитоза альвеолярными макрофагами, что опосредовано
наличием у M. tuberculosis на клеточной стенке лигандов к рецепторам
макрофагов. После фагоцитоза происходит нарушение созревания фагосомы,
сложного процесса, в котором фагосома, несущая частицу, отличную от
M. tuberculosis, постоянно взаимодействует с эндосомой, секреторными
органеллами,
мультивезикулярными
тельцами
и
эндоплазматическим
ретикулумом [60]. После «респираторного взрыва» в фагосоме происходят
процессы окисления в течении 10-20 минут с последующим снижением pH с
нейтральных до кислых значений (pH 4,5–5,0). M. tuberculosis останавливает
процесс снижения кислотности среды при pH 6,4.
После фагоцитоза M. tuberculosis определенным образом перестраивает
свой метаболизм для выживания внутри макрофагов. Внутренняя среда
макрофагов обладает низким кислородным потенциалом и ограниченным
количеством питательных веществ. Одним из приспособлений является
активация экспрессии генов, участвующих в метаболизме липидов, которые
важны для вирулентности M. tuberculosis [9, 46].
Изоцитрат-лиаза (Icl) – один из главных ферментов глиоксилатного
шунта M. tuberculosis, который превращает изоцитрат в сукцинат и
глиоксилат, позволяющий использовать в качестве источника углерода
жирные кислоты (рис. 3) [77]. M. tuberculosis использует в качестве источника
углерода холестерин хозяина. Нарушение гена транспортера холестерина или
гена изоцитрат-лиазы приводит к неспособности микобактерии поддерживать
хроническую инфекцию у мышей [51].
В макрофагах M. tuberculosis подвергается воздействию активных
форм кислорода (АФК), к которым относят пероксид водорода (Н2О2),
14
супероксид-анион(О2•-), гидроксильный радикал (ОН•). Для предотвращения
токсичности АФК M. tuberculosis осуществляет удаление токсичных
продуктов, пораженных биомолекул (каталаза, протеасомы), восстановление
повреждений, синтез биомолекул de novo [16]. Протеасомы – это
многобелковые комплексы, которые деградируют белки и пептиды путем
протеолитической активности [78]. Два вспомогательных фактора PafA и Mpa
M. tuberculosis участвуют в связывании убиквитин-подобного белка Pup с
пептидами, распознающими Pup-меченые белки. Mpa участвует в рефолдинге
и доставке белков в протеолитическое ядро протеасом. Мутации в генах mpa
и pafA повышают чувствительность туберкулезной палочки к активным
формам азота (АФА), что объясняет решающую роль расщепления белков
протеасомами во время стресса, связанного с АФА. Возможны два объяснения
роли PafA и Mpa: 1) деградация репрессора, контролирующего экспрессию
генов, кодирующих необходимые для синтеза антиоксидантов белки; 2)
удаление необратимо поврежденных белков с токсическим потенциалом [12].
Внутри зрелой фаголизосомы положительно заряженные катионные
антимикробные пептиды (CAMPs) разрушают отрицательно заряженную
клеточную стенку бактерий. M. tuberculosis снижает свою афинность к
CAMPs, уменьшая отрицательный заряд клеточной стенки за счет
положительно заряженного липида, состоящего из фосфатидилглицерина,
связанного с лизином. Наличие лизина в мембране обеспечивает лизинтрансфераза
LysX.
Уникальная
непроницаемая
клеточная
оболочка
M. tuberculosis представляет собой физический барьер для CAMPs [16].
1.1.4. Mycobacterium tuberculosis в гранулеме
Миграция инфицированных макрофагов из дыхательных путей в
участки легочной ткани формирует воспалительный очаг, способствуя
распространению M. tuberculosis (рис. 2). Первичное поражение переходит в
гранулему, некоторые инфицированные клетки повторно мигрируют, образуя
15
вторичные поражения легких. У большинства людей возбудитель на этой
стадии контролируется иммунной системой, которая предотвращает его
дальнейшее распространение, устанавливается латентная инфекция [54].
У человека можно выделить три типа гранулем, которые могут
переходить друг в друга. Твердые гранулемы преобладают при латентной
инфекции, сложно организованы, состоят из мононуклеарных фагоцитов,
дендритных клеток, Т-и В-лимфоцитов. Часто лимфоциты образуют наружное
кольцо, тогда как в центральных частях преобладают мононуклеарные
фагоциты, фибробласты и дендритные клетки. Твердая гранулема обычно
окружена фиброзной стенкой, отделяющая ее от окружающих тканей, а также
является источником повреждения тканей на ранней стадии заболевания.
Некротические гранулемы характерны для ранних стадий активного
ТБ, имеют определенную структуру, где центральная часть клеток
подвергается некрозу. Данные гранулемы являются диагностическим
визуальным признаком ТБ легких у людей [28].
Казеозные гранулемы образуются на терминальной стадии ТБ,
являются менее структурированными, центральная часть образует полость.
При этом восстанавливается высокое содержание кислорода, казеозный
материал обеспечивает источник питательных веществ для патогена.
Впоследствии M. tuberculosis может попадать в капилляры и пространство
альвеол, осуществляя не только распространение, но и передачу инфекции.
При активном ТБ наблюдается совместное существование различных
типов гранулем. Возбудитель обнаруживается в различных областях гранулем
(мононуклеарные фагоциты, дендритные клетки, фибробласты, казеозный
центр).
Неблагоприятные
питательных
веществ,
метаболический
Большинство
переход
условия
низкая
M.
внутри
гранулемы
(ограничение
концентрация
кислорода)
запускают
в
дормантное
состояние.
tuberculosis
противотуберкулезных
препаратов
нацелено
на
пролиферирующие клетки, что исключает их влияние на дормантные формы
16
и объясняет длительное время лечения. Модели покоя in vitro были
разработаны для исследования дормантных M. tuberculosis [16].
1.1.5. Дормантное состояние Mycobacterium tuberculosis
Примерно треть населения планеты подвержена латентной инфекции
M. tuberculosis. При этом микобактерии находятся в так называемом
дормантном состоянии, которое характеризуется пониженной метаболической
активностью,
что
Следовательно,
хронической
обуславливает
дормантные
инфекции,
Дормантность
бактерии
которая
микобактерий
устойчивость
могут
является
часто
к
антибиотикам.
служить
источником
трудноизлечимой
сопровождается
[47].
появлением
“некультивируемости”, то есть неспособности бактериальных
клеток
образовывать колонии на твердых питательных средах. Однако эти клетки
сохраняют пролиферативный потенциал, то есть способность расти как на
жидкой, так и на твердой среде, которая развивается после реактивации [44].
Существует несколько моделей покоя M. tuberculosis, которые
позволяют частично охарактеризовать дормантные микобактерии.
1. Модель Лебеля
Замечено,
что
в
результате
голодания
по
углероду
клеток
M. tuberculosis in vitro наблюдается прекращение их роста и снижение
интенсивности дыхания, что указывает на снижение скорости метаболизма
[32]. Бактерии в данной модели были толерантны к противотуберкулезным
препаратам, чувствительны к ингибированию НАДН-дегидрогеназы 2 и
демонстрировали пониженный уровень АТФ в клетках [16]. M. tuberculosis
реализовали глиоксилатный цикл (рис. 2), который необходим для выживания
при ограниченном доступе питательных веществ из-за отсутствия потерь
углерода при образовании углекислого газа (CO2) в отличии от цикла
трикарбоновых кислот (в реакциях изоцитрат-дегидрогеназы, α-кетоглутаратдегидрогеназы).
Фермент
глиоксилатного
шунта
Icl
необходим
для
17
поддержания хронической инфекции в модели ТБ мыши, что позволяет
предположить
соответствующую
роль
фермента
при
ограничении
питательных веществ in vivo [2, 16].
2. Модель Уэйна
В 1996 году Уэйн и его коллеги представили модель покоя
M. tuberculosis in vitro, основанную на постепенном истощении кислорода [71].
Для бактерий в данной модели было характерно снижение уровня АТФ,
аналогичное модели Лебеля. Обе модели (Лебеля и Уэйна) способствуют
возникновению дормантных бактерий в противоположных условиях –
истощение углерода в богатой кислородом среде (Лебель) и кислородное
голодание в богатой питательными веществами среде (Уэйн). Однако,
выявленные физиологические совпадения можно отнести к основным
признакам дормантного состояния. При кислородном голодании M. bovis
выявлено накопление триацилглицерина в виде внутриклеточных капель.
Запасы липидов необходимы для восстановления микобактерий в богатой
среде, поэтому их накопление может быть важным в период покоя.
Рисунок 2. Глиоксилатный цикл [77]
На генетическом уровне адаптация к изменениям доступа кислорода
опосредуется регуляторным комплексом DosS/DosT-DosR. DosR управляет
18
метаболическим сдвигом M. tuberculosis от аэробного к анаэробному
функционированию, обеспечивает выживание бактерии в состояние покоя in
vitro и контролирует возврат к репликации при появлении кислорода. Однако,
нарушение гена dosR незначительно влияет на выживаемость патогена в
моделях животных (мышь, морская свинка, кролик) [31]. Роль гипоксии in vivo
была проанализирована благодаря введению животным пимонидазола (маркер
гипоксии). Показано, что рост аэробных и микроаэрофильных M. tuberculosis
ограничивается в гипоксическом ядре некротических и твердых гранулем. У
мышей показано предотвращение образования некротических очагов за счет
внутриклеточного белка 1, который способен направлять инфицированные
макрофаги к апоптозу, а не к некрозу [16]. Активная репликация
M. tuberculosis происходит не только в острой фазе, но и на протяжении
хронической инфекции, о чем свидетельствует потеря нестабильной плазмиды
во время деления дорматных клеток [17].
При анализе транскриптома идентифицировано пять генов, активных
во всех моделях, которые представляют собой основу дормантного состояния.
К ним относится ген acr2, кодирующий белок теплового шока, ген
транскрипционного регулятора Rv1152, pdhA - ген субъединицы пируватдегидрогеназы,
ген
Rv2517c,
ген
lat,
кодирующий
L-лизин-ℰ-
аминотрансферазу. Модели покоя in vitro M. tuberculosis демонстрируют
повышенный
уровень
экспрессии
генов,
связанные
со
стрессом,
альтернативными путями метаболизма, в то время как экспрессия генов
центральных метаболических путей (гликолиз, ЦТК, дыхание) снижается [16].
Нередко (2-23% случаев) при латентной инфекции происходит
реактивация, т.е. переход возбудителя в активное состояние, обусловленный
различными факторами, в том числе активностью белков Rpf-семейства. Rpfфакторы способны гидролизовать ПГ микобактерий [47].
19
1.2. Белки Rpf-семейства
Исследования
грамположительной бактерии
Micrococcus luteus,
принадлежащей к отряду Actinomycetales (включает род Mycobacterium),
продемонстрировали её способность переходить в дормантное состояние
после роста на бедных питательных средах. Такие дормантные бактерии
утрачивают способность к росту на твердых питательных средах. Однако при
добавлении
к
дормантной
культуре
стерильного
фильтрованного
супернатанта активно растущих клеток происходит реактивация, т.е.
восстановление способности к делению. Реактивация клеток обусловлена
активностью белка M. luteus, синтезируемого во внеклеточное пространство.
Для
данного
белка
была
показана
стимуляция
роста
следующих
представителей рода Mycobacterium: M. avium, M. bovis (BCG), M. kansasii,
M. smegmatis и M. tuberculosis.
Этот белок был назван фактором реактивации дормантных форм
микроорганизмов, или фактором, способствующим реактивации (resuscitation
promoting factor - Rpf). Благодаря своей активности в пикомолярных
концентрациях Rpf был отнесен к группе бактериальных цитокинов. Однако,
относительно высокая концентрация Rpf в культуральной среде M. luteus и
отсутствие гипотетических рецепторов к нему на поверхности клеток не
подтвердили данную гипотезу [43].
M. luteus содержит только одну копию гена rpf в своём геноме.
Секвенирование геномов различных бактерий показало, что белок Rpf
М. luteus является членом большого семейства секретируемых бактериальных
Rpf-подобных
белков,
распространенных
среди
многих
бактерий,
принадлежащих к типу Actinobacteria. Этот тип включает представителей 20
семейств из 6 отрядов (Actinomycetales, Streptomycetales, Corynebacteriales,
Micrococcales,
представителей
Pseodonocardiales,
родов
Mycobacterium,
включая
Propionobacteriales),
Corynebacterium
и
Nocardia.
Существуют сведения о наличии Rpf-белков у Гр- бактерий (Salmonella
20
typhimurium), хотя их аминокислотные последовательности имеют низкую
гомологию
с
аминокислотными
последовательностями
Rpf-белков
актинобактерий [47].
Исследования структуры Rpf показали, что белок M. luteus состоит из
консервативного каталитического домена, расположенного на N-конце
молекулы, и домена LysM, расположенного на С-конце, который участвует во
взаимодействии с компонентами ПГ [43]. В дальнейшем была подтверждена
доменная организация Rpf для представителей рода Mycobacterium [6].
1.2.1. Ферментативные и функциональные особенности Rpf-белков
Белок Rpf относится к классу гидролитических ферментов, которые,
подобно лизоциму и литическим трансгликозилазам, расщепляют β-(1→4)гликозидные связи между остатками N-ацетилглюкозамина (НАГ) и N-ацетил(гликолил)-мурамовой
кислоты
ПГ
бактерий
[38].
Наличие
данной
ферментативной активности у Rpf M. luteus показано как на выделенном ПГ,
так и на искусственном субстрате (4-метилумбеллиферил-β-D-N, N’, N”ацетилглюкозамин).
Гидролазы
ПГ
классифицируются
на
основе
специфичного расщепления структуры бактериального ПГ [70]:
1)
Амидазы (N-ацетилмурамоил-L-аланинамидазы) – гидролизуют
амидную связь между N-ацетилмурамовой кислотой и L-аланином.
2)
Эндопептидазы – осуществляют гидролиз LD -, DD- и DL-связей
в пептидной цепи.
3)
N-ацетилглюкозаминидазы.
4)
N-ацетилмурамидазы (лизоцимы).
5)
Литические трансгликозилазы.
Последние три группы ферментов расщепляют связи между Nацетилмурамовой кислотой (НАМ) и НАГ. Лизоцимы и литические
трансгликозилазы называются N-ацетил-β-D-мурамидазами, т.к. расщепляют
β-(1→4)-гликозидную связь. Ранее из-за отсутствия информации об
21
образующихся продуктах гидролиза Rpf белки не были отнесены к
определенной
группе
ферментов
(лизоцимы
или
литические
трансгликозилазы). RpfB относится к литическим трансгликозилазам,
расщепляющие ПГ с выделением ангидро-продуктов [5, 63].
Активный
центр
белков,
подобных
лизоциму,
содержит
консервативный остаток глутаминовой кислоты, участвующий в катализе
(лизоцим С - Glu35, литические трансгликозилазы Slt35 - Glu162, Slt70 - Glu478).
В белке Rpf M. luteus каталитический Glu предположительно находится в
положении 54 (Glu54). При замещении Glu54 на глутамин или аланин
происходит
частичная
соответственно
[42].
или
существенная
Максимальное
потеря
ингибирование
активности
Rpf,
активности
Rpf
происходит при замещении двух остатков цистеина (Cys 53 и Cys114), замена
Cys53/Cys114 по отдельности приводит к частичной потере активности. Cys 53 и
Cys114 могут участвовать в образовании внутримолекулярной дисульфидной
связи, что необходимо для поддержания конформации каталитического
домена при катализе [38].
Ферментативные свойства Rpf-белков определяют реализацию в клетке
определенных функций. В ранних исследованиях показано, что введение
рекомбинантного белка Rpf M. luteus в пикомолярных концентрациях
приводит к стимуляции роста клеток M. luteus на бедной питательной среде.
Аналогичный эффект был обнаружен для клеток M. smegmatis. Зависимость
роста бактериальных клеток от экзогенного Rpf проявляется только при
стрессовых условиях. Клетки, выращенные на сбалансированных средах, не
проявляют чувствительности к Rpf. Rpf-белки M. tuberculosis проявляют
активность в отношении клеток M. luteus и M. smegmatis [42].
Рекомбинантные Rpf-белки способны эффективно стимулировать
реактивацию дормантных форм M. tuberculosis, Rhodococcus rodochrous и
M. smegmatis in vitro. Для Rpf M. luteus показано способность к реактивации
дормантных клеток M. tuberculosis. Добавление рекомбинантного белка Rpf
22
может быть заменено сверхэкспрессией этого белка в клетках M. smegmatis,
которые проявляют способность к спонтанной реактивации клеток [64].
1.2.2. Rpf-белки M. tuberculosis
У M. tuberculosis было обнаружено пять Rpf-белков (RpfA-E), в
структуре которых не обнаружено домена LysM, характерного для M. luteus,
однако наряду с каталитическим доменом встречаются DUF348-домены
(Domains of Unknown Function) и G5-домены (рис. 4) [47].
Биологическая
функция
Rpf-белков,
по-видимому,
связана
с
необходимостью данных белков для роста и деления бактерий, которые их
продуцируют. При этом мутанты M. tuberculosis с полностью выключенными
генами rpf остаются жизнеспособными, однако для них характерен более
длительный рост на твердой питательной среде, увеличение чувствительности
к детергентам [43]. Данные мутагенеза по различным генам rpf указывают на
функциональную иерархию в Rpf-белках M. tuberculosis, при этом RpfB и RpfE
оказывают большее влияние на рост и реактивацию по сравнению с RpfD [25].
Делеция одних генов rpf сопровождалась незначительным повышением
экспрессии других генов rpf, что свидетельствует о взаимозаменяемости
белков Rpf в процессе реактивации. Однако одновременные мутации в генах
rpfA/C/D и rpfB/D/E привели к значительному снижению вирулентности
M. tuberculosis у мышей. Изученные мутанты неспособны к реактивации
клеток, но инсерция генов rpf в приводит к частичному восстановлению этой
способности [65]. M. tuberculosis проявляет избыточность генов rpf, повышая
устойчивость патогена в процессе эволюции [47]. Хотя белки Rpf не являются
необходимыми для роста M. tuberculosis, они определяют переход
M. tuberculosis из дормантного в активное состояние как in vitro, так и in vivo
в модели хронического ТБ животных [65]. При этом из пяти Rpf-белков
M. tuberculosis RpfB вносит наибольший вклад в реактивацию [64].
23
Различные гены rpf демонстрируют разный уровень экспрессии. В
стационарной фазе роста наблюдается общая тенденция к снижению
экспрессии всех генов rpf M. tuberculosis (за исключением гена rpfC), что
аналогично экспрессии генов rpf M. luteus. Для М. smegmatis показана
повышенная экспрессия гомолога гена rpfA M. tuberculosis на поздних стадиях
реактивации до начала деления клеток [65]. В условиях голодания (инкубация
в фосфатном буфере при рН 7,4) наблюдается повышение экспрессии всех
генов rpf через 24 ч, а инкубация до 96 ч приводит к снижению экспрессии
rpfA, rpfB и rpfE, тогда как экспрессия rpfC и rpfD остается неизменной. В
условиях гипоксии повышается экспрессия генов rpfC и rpfE. При снижении
рН до значений 5,5-4,5 повышалась экспрессия rpfD и rpfE[47].
Rpf-белки M. tuberculosis функционально не различаются, но
экспрессия соответствующих генов регулируется по-разному, что может
свидетельствовать об “ассоциации” различных белков Rpf с разными
стрессовыми факторами окружающей среды [47].
1.2.3. RpfB M. tuberculosis
Из пяти Rpf-белков (RpfA-E) M. tuberculosis RpfB вносит наибольший
вклад в процесс реактивации дорматных клеток [64]. По сравнению с
структурой Rpf M. luteus RpfB M. tuberculosis имеет более сложную структуру,
состоящую из 362 аминокислотных остатков. В структуре RpfB (рис. 3)
помимо каталитического домена содержится G5-домен и три домена
неизвестной функции (DUF348 – Domains of Unknown Function) [7].
Согласно модели третичной структуры RpfВ его консервативный
домен имеет пространственную организацию, сходную с организацией
структуры лизоцима С. Консервативный домен RpfВ имеет шесть α-спиралей
и один β-лист, состоящий из трех цепей, расположенных в пространстве
идентично α-спиралям лизоцима С животных, что позволяет считать RpfВ
“мини-лизоцимом” [38, 55]. Подобно лизоциму, каталитический центр белка
24
состоит из шести ПГ - связывающих сайтов (A-F) [56]. С другой стороны, RpfB
гомологичен по своей структуре некоторым литическим трансгликозилазам,
например, Slt35 и Slt70 E. coli. Таким образом, структурные исследования
позволяют
предположить,
что
консервативный
домен
RpfВ
можно
рассматривать как гибрид лизоцима и литических трансгликозилаз [47].
Рисунок 3. Структурная организация RpfB [58]
КД – каталитический домен (трансгликозилаза), G5-домен адгезии,
DUF-домены – Domains of Unknown Function, функция неизвестна.
Домен G5 получил своё название из-за пяти консервативных
аминокислотных остатков глицина в структуре. G5 является важным
компонентом для многих белков, участвующих в деградации клеточной
стенки и в формировании биологических пленок; его функциональная роль
близка к таковой у LysM-домена Rpf M. luteus. Для G5-домена были показаны
адгезивные свойства по отношению к ПГ микобактерий [7, 56].
Домен DUF348 обладает структурой, состоящей из одной α-спирали и
четырех β-листов. Пространственная организация данного домена аналогична
убиквитину эукариот. Роль DUF-доменов в RpfB до сих пор остается неясной.
Основной особенностью убиквитина эукариот является его способность
взаимодействовать с большим количеством макромолекул. По-видимому,
наличие убиквитин-подобного домена в молекуле Rpf позволяет этому белку
взаимодействовать с другими белками (партнер белка RpfВ – RipA) [47, 59].
25
В структуре RpfB M. tuberculosis выявлен консервативный остаток
окруженный
Glu292,
аминокислотами,
за
"гидрофобным
счёт
карманом",
которых
представленным
происходит
стабилизация
протонированного состояния Glu292 при оптимуме активности фермента (рН
5,0), что позволяет выступать Glu292 в роли “сильной кислоты” во время
катализа (донор протонов). Сходная структура гидрофобного кармана
характерна для RpfС, что может указывать на общую организацию и структуру
всех Rpf-белков [38, 47].
1.1.3. Механизм действия RpfB
Rpf-белки относятся к литическим трансгликозилазам, расщепляющим
β-(1→4)-гликозидные связи между остатками N-ацетилглюкозамина (НАГ) и
N-ацетил-(гликолил)-мураминовой кислоты ПГ бактерий [38]. Активность
Rpf-белков важна для стимуляции роста и реактивации дормантных
микобактерий. Доказана роль глутамата для катализа и стабилизирующая
функция двух остатков цистеина. Подтверждена связь между ферментативной
активностью белков Rpf и реактивации дормантных форм микобактерий [47].
Существуют несколько гипотез механизма действия белка Rpf:
1) Rpf может проявлять гидролазную активность, осуществляя
ограниченный гидролиз модифицированного
ПГ дормантных клеток,
способствуя синтезу и росту клеточной стенки, стимулируя начало процесса
деления дормантных клеток.
ПГ микобактерий состоит из взаимозаменяемых остатков N-ацетил-(Nгликолил)-глюкозамина и мурамовой кислоты. При переходе в дормантное
состояние
количество
межмолекулярных
связей
в
структуре
ПГ
увеличивается, что увеличивает его плотность и толщину [19]. ПГ активно
растущих клеток микобактерий представляет собой динамичную структуру,
которая постоянно увеличивается и перестраивается в процессе роста, поэтому
ограниченный гидролиз ПГ может иметь решающее значение для начала
26
деления клеток. [57]. Слой ПГ более доступен в качестве мишени для
эндогенного, нежели для экзогенного Rpf [4]. Экспрессия генов rpf
непосредственно перед началом клеточного деления частично подтверждает
данную гипотезу. Однако, этот факт противоречит первоначальной гипотезе о
роли белка Rpf в качестве цитокина, который запускает ранние стадии
процесса реактивации.
2) Рекомбинантный Rpf-белок способен диспергировать агрегаты
бактериальных клеток до начала их деления благодаря гидролитической
активности. Агрегаты клеток M. luteus важны для инициации роста культуры
в лаг-фазе, на начальных стадиях реактивации M. tuberculosis.
3) Согласно “сигнальной гипотезе” в процессе гидролиза ПГ Rpfбелками могут высвобождаться низкомолекулярные молекулы (лиганды),
передающие сигнал на соседние клетки. Передача сигнала осуществляется за
счёт взаимодействия лиганда с рецептором на поверхности клетки [47].
Существует множество ферментов, участвующих в синтезе и
деградации ПГ, функционирующих совместно с другими ферментами.
Установлено, что RpfB M. tuberculosis имеет партнера - эндопептидазу RipA
(Rpf-interacting protein A - белок, взаимодействующий с фактором,
способствующим реактивации) [19]. RipA – это L,D-эндопептидаза, которая
гидролизует D-глутамин-мДАП до D-изоглутамина и мДАП. Локализация
двух белков (RpfB и RipA) в районе септы делящихся клеток позволяет
предположить скоординированное действие этих ферментов в процессе
клеточного деления. Показано, что делеция гена ripA приводит к снижению
скорости роста и аномальной морфологии клеток M. tuberculosis и
M. smegmatis (ветвление и образование цепей). Образование длинных
разветвленных цепей можно объяснить неполным формированием септы, что
повышает
чувствительность
клеток
к
β-лактамным
антибиотикам.
Предполагается, что RipA играет важную роль на заключительном этапе
клеточного деления. Экспериментально показано, что взаимодействие
27
ферментов RpfB и RipA приводит к совместному гидролизу клеточной стенки
бактерии (рис. 4). Причем данный процесс протекает значительно быстрее,
чем гидролиз клеточной стенки одним из белков, что показано на ПГ
M. smegmatis. Аналогичный синергический эффект показан для реактивации
покоящихся форм M. smegmatis [47].
Рисунок 4. Гидролиз микобактериального пептидогликана под
действием RpfB и RipA [47]
a - cайты для гидролиза микобактериального пептидогликана RpfB, RipA; b продукт реакции гидролиза (ангидро-дисахарид-дипептид). НАГ – Nацетилглюкозамин, НАМ – N-ацетилмурамовая кислота, м-ДАП – мезодиаминопимелиновая кислота.
Продуктом совместного гидролиза ПГ микобактерий под влиянием
RpfB
и
RipA
является
N-ацетилглюкозаминил-β-(1-4)-N-гликолил-1,6-
ангидромурамоил-L-аланил-D-изоглутамат
(ангидро-дисахарид-дипептид).
Выявление данного продукта подтвердило гипотезу о принадлежности белка
Rpf к классу литических трансгликозилаз. Применение синтетического
аналога продукта гидролиза продемонстрировало способность данного
соединения стимулировать реактивацию. Муропептиды рассматриваются как
потенциальные
сигнальные
молекулы.
Они
взаимодействуют
со
специфическим экзогенным рецептором – PASTA-доменом мембранной
серин-треониновой протеинкиназы C (PrkC), после активации которой
происходит форфорилирование регуляторных клеточных белков. При
28
активном росте бактерий происходит высвобождение муропептидов, что
способствует прорастанию спор Bacillus subtilis. PrkC контролирует
экспрессию гена yocH, кодирующего предполагаемый гомолог белка Rpf,
соответственно, PrkC может регулировать высвобождение муропептидов под
влиянием активности YocH.
M. tuberculosis имеет серин-треонинкиназу PknB, с PASTA-доменом
которой могут взаимодействовать продукты гидролиза ПГ под действием
RipA и RpfB (рис. 5). PknB необходима для роста, регулирует форму клеток
M. tuberculosis и M. smegmatis, а сверхэкспрессия PASTA-домена PknB
задерживает рост обеих бактерий. Предполагается, что PknB регулирует
клеточное деление микобактерий, обратимо фосфорилируя внутриклеточные
белки. По-видимому, PASTA-домен распознает растущие цепи ПГ и
регулирует распределение белков, участвующих в делении и формировании
септы. Взаимодействие PASTA домена PknB с клеточной стенкой является
важным
процессом,
который
может
служить
механизмом
контроля
целостности клеточной стенки и роста бактерий. Белки Wag31 и PpbA
являются субстратами PknB, участвуют в делении клеток, в ранних стадиях
реактивации дормантных клеток.
Нельзя
исключать
одновременной
реализации
нескольких
предложенных механизмов. Например, распад бактериальных агрегаций под
влиянием
Rpf
может
предшествовать
последующему
образованию
муропептидов, запускающих реактивацию (рис. 5). Однако эти процессы
могут происходить параллельно. Таким образом, фрагменты ПГ, которые
всегда присутствуют в бактериальных культурах, могут служить субстратом
для Rpf-белков.
Реактивация дорматных бактериальных форм – это сложное явление,
включающее
в
себя
несколько
этапов.
Вероятно,
первая
стадия
метаболической активации связана с повышением уровня внутриклеточного
цАМФ в результате активации аденилатциклазы. Повышение уровня цАМФ и
29
активация метаболизма предшествуют клеточной пролиферации и экспрессии
генов rpfА, rpfB.
Рисунок 5. Возможный путь реактивации дормантных микобактерий
[47]
ФПГ – фрагменты пептидогликана.
1. RpfВ индуцирует распад агрегатов клеток; 2. Под действием RpfВ и
RipА
происходит
высвобождение
муропептидов;
3.
Муропептиды
связываются с PASTA-доменом протеинкиназы PknB, которая фосфорилирует
факторы активации и стимуляции деления.
Таким образом, белки Rpf могут непосредственно стимулировать
деление
микобактериальных
клеток
и
одновременно
способствовать
образованию низкомолекулярных продуктов (муропептидов), способных
индуцировать ранние стадии реактивации [47]. Функциональные особенности
данных
белков
обуславливают
возможность
их
использования
для
диагностики латентного туберкулеза.
1.3. Диагностика инфекции M. tuberculosis
Туберкулез
(ТБ)
до
сих
пор
остается
серьезной
проблемой
здравоохранения: по данным 2018 года зарегистрировано 10 миллионов
30
случаев заболевания в год, из которых 1,5 миллиона с летальным исходом [61].
Данная проблема не ограничивается исключительно развивающимися
странами. В 2018 году во Франции было зарегистрировано более 5000 случаев
заболевания (примерно 8 случаев на 100 000 жителей), и особенно в регионе,
который включает Париж (примерно 16 случаев на 100 000 жителей) [18].
Ненадлежащее
или
неправильное
использование
противотуберкулезных препаратов может приводить к возникновению
лекарственно-устойчивых M. tuberculosis, которые вызывают заболевание,
неизлечимое
обычными
противотуберкулезными
препаратами.
Ранняя
диагностика ТБ включает в себя универсальные тесты на лекарственную
чувствительность, и систематическую проверку лиц, контактирующих с
источниками инфекции, групп высокого риска.
Во многих странах диагностика ТБ по-прежнему зависит от
микроскопии мокроты, для которой характерны определенные ограничения.
Необходимо достигнуть большего взаимодействия между разработкой
методов диагностики и получением противотуберкулезных препаратов с более
короткой схемой лечения. Еще одна проблема заключается в отсутствии
тестов-биомаркеров для диагностической идентификации, лечения и развития
латентного ТБ [49].
1.3.1. Диагностика активного туберкулеза
В настоящее время существует три основных подтвержденных метода
выявления активного ТБ: микроскопия, амплификация нуклеиновых кислот и
бактериологический метод. Кроме того, тесты, основанные на детекции
антигенов, являются коммерчески доступными. Для скрининга ТБ широко
используется рентгенография грудной клетки [50].
1. Микроскопия мазка
Наиболее широко используемый метод – это окрашивание по ЦильНильсену. Клеточная стенка M. tuberculosis, богатая липидами, окрашивается
31
карболовым раствором фуксина при нагревании, выдерживая последующее
обесцвечивание кислотой и спиртом. Препарат дополнительно окрашивается
метиленовым синим. Флуоресцентная микроскопия с красителями (Аурамин,
Родамин) более чувствительна и позволяет более быстро проанализировать
большое количество мазков [49].
2. Бактериологический метод
Культура M. tuberculosis, выращенная на твердой или жидкой
питательной среде, остается золотым стандартом диагностики ТБ. Она
требуется для теста на лекарственную чувствительность [72].
3. Экспресс-тест на липоарабиноманнан
Липоарабиноманнан
является
компонентом
клеточной
стенки
M. tuberculosis, который может быть обнаружен в образцах пациентов с ТБ.
Тест не способен отличить инфекцию M. tuberculosis от других видов
микобактерий. Положительный тест является достаточным основанием для
начала лечения в эндемичных по ТБ странах. Однако, отрицательный тест не
позволяет полностью исключить ТБ [49].
Активное выявление случаев, лечение и диагностика активного ТБ
является главным приоритетом борьбы с M. tuberculosis. Однако для
элиминации ТБ необходимо применять комплексные стратегии, направленные
как на активный, так и на латентный ТБ [73].
1.3.2. Диагностика латентного туберкулеза
Большинство людей, инфицированных ТБ, переносят латентный ТБ.
Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) определяет латентный ТБ как
состояние устойчивого иммунного ответа на антигены M. tuberculosis,
характеризующееся отсутствием признаков активного ТБ [33]. Такие люди
контактировали с M. tuberculosis, что привело к развитию иммунного ответа,
однако персистенция возбудителя не обязательна [36]. Болезнь может
длительное время не переходить в активный ТБ, риск развития которого после
32
инфицирования зависит от возраста, качества механизмов иммунной защиты
и времени, прошедшего с момента заражения. Данное состояние нестабильно,
может привести к активному заболеванию [14].
В настоящее время не существует теста для прямой идентификации
M. tuberculosis у людей. Диагноз латентный ТБ является косвенным и основан
на обнаружении иммунного ответа на антигены M. tuberculosis, предполагая,
что иммунный ответ развился после контакта с возбудителем. Туберкулиновая
кожная проба (ТКП) и тест на высвобождение γ-интерферона (ИНФ-γ)
являются основными тестами на выявление латентного ТБ. Оба теста
основаны на иммунном ответе, не позволяют напрямую оценить наличие или
жизнеспособность микобактерий. Кроме того, в настоящее время не
существует теста, который позволил бы отличить иммунную реакцию,
вызванную латентным ТБ, от реакции, вызванной активным ТБ [73].
1. Туберкулиновая кожная проба (ТКП)
Классическим тестом для выявления латентного ТБ является ТКП,
которая основана на реакции на антигены M. tuberculosis, вводимых в дерму
кожи [76]. Интенсивность местной воспалительной реакции, вызванной
высвобождением цитокинов активированными лимфоцитами, измеряется
через 48-72 часа [41]. Раствор туберкулина содержит большое количество
антигенов (~ 200), большинство из которых являются общими для
M. tuberculosis, M. bovis и микобактерий окружающей среды. Следовательно,
ложноположительная реакция связана с вакцинацией BCG или контактом с
микобактериями в окружающей среде [45].
2. Анализ на высвобождение интерферона γ (IGRA)
Выполняется анализ крови, основанный на измерении in vitro
высвобождения ИНФ-γ активированными Т-клетками после стимуляции
антигенами M. tuberculosis. В тесте используется принцип ТКП, но
используются антигены (АГ) ESAT-6 и CFP-10, которые отсутствуют у M.
bovis и большинства микобактерий окружающей среды, что повышает
33
специфичность теста [48]. Результат представляет собой количество Т-клеток,
продуцирующих ИНФ-γ [26].
3.
Кожные пробы на специфические антигены M. tuberculosis
Разработка кожных проб на специфичные АГ (ESAT-6 и CFP 10)
M. tuberculosis позволила сочетать специфичность, аналогичную IGRA, с
введением аналогично ТКП. При комбинации ТКП и IGRA можно получить
противоположные
результаты.
Комбинация
положительного
ТКП
и
отрицательного IGRA часто связана с предшествующей вакцинацией BCG или
контактом с микобактериями окружающей среды (ложноположительный
ТКП), тогда как комбинация отрицательного ТКП и положительного IGRA
может быть объяснена иммунодефицитом, связанным с молодым или старым
возрастом (ложноотрицательный ТКП). Для диагностики латентного ТБ ВОЗ
рекомендует применять ТКП или IGRA [73].
3.3.3.Применение Rpf-белков в диагностике латентного туберкулеза
ТКП и IGRA являются основными тестами на выявление латентного
ТБ. Кроме того, в настоящее время не существует теста, который позволил бы
отличить иммунную реакцию, вызванную латентным ТБ, от реакции,
вызванной активным ТБ [73]. В связи с этим необходим поиск новых методов,
а также усовершенствование имеющихся методов диагностики латентного ТБ.
Ранее было показано, что Rpf-факторы способны осуществлять
реактивацию M. tuberculosis из дормантного состояния. С помощью Rpfфакторов было показано наличие жизнеспособных M. tuberculosis в образцах
пациентов с отрицательными результатами микробиологических тестов.
Рекомбинантные Rpf-факторы способны сокращать продолжительность
обнаружения M. tuberculosis в клинических образцах [15].
Несколько АГ M. tuberculosis, в основном обнаруженные с помощью
подходов, основанных на продукции ИНФ-γ, были предложены в качестве
мишеней для новых диагностических тестов на ТБ. К ним относятся латентные
34
АГ, кодируемые DosR, Rpf-факторы и секретируемые АГ (ESAT-6 и CFP-10).
Считается, что латентные АГ в основном экспрессируются на латентных
стадиях инфекции M. tuberculosis, в то время как Rpf-белки функционально
необходимы при переходе от дормантного к активному состоянию.
Распознавание специфичных для латентного ТБ АГ можно оценить по
иммунным параметрам, отличным от ИНФ-γ, включая интерлейкин-12 (IL-12),
IL-10, IL-10, фактор некроза опухоли α (ФНО-α). На сегодняшний день
охарактеризованными клеточными субпопуляциями, участвующими в ответе
на АГ M. tuberculosis, являются моно- или полифункциональные CD4+ Тклетки, продуцирующие ИНФ-γ, ФНО-α и/или IL-2 [11].
Использование Rpf-факторов в качестве АГ позволяет оценивать
уровень различных Т-клеток у лиц, инфицированных латентным и активным
ТБ. Иммунный ответ на антигены RpfА и DosR M. tuberculosis
преимущественно обнаруживается у людей, инфицированных латентным ТБ.
При этом был выявлен высокий уровень CD4+ и CD8+ клеток, продуцирующих
ИНФ-γ или ФНО-α, что позволяет предположить участие данных клеток в
контроле реактивации M. tuberculosis у лиц с латентным ТБ.
RpfD и RpfB способствует более высокому уровню продукции ИНФ-γ
по сравнению с RpfA. При этом уровень продукции ИНФ-γ в ответ на RpfD,
RpfB, RpfA значительно выше у латентно инфицированных людей по
сравнению с больными активным ТБ [34]. Гены rpfA и rpfD демонстрируют
различный уровень экспрессии в клетках M. tuberculosis как во время роста,
так и при воздействии разнообразных стрессовых факторов. Предполагается,
что различия в экспрессии и/или функции RpfA и RpfD в клетках M.
tuberculosis могут приводить к различным иммунным ответам у людей,
инфицированных латентным ТБ [3]. Данные исследования позволяют
использовать Rpf-белки для диагностики латентного ТБ.
35
Глава 2. Материалы и методы исследования
2.1. Основные буферы и среды. Олигонуклеотидные праймеры
Для всех буферов приведены конечные концентрации компонентов.
Основные среды:
1)
Среда LB (Lysogeny broth): триптон – 10 г/л; дрожжевой экстракт
- 5 г/л; NaCl - 5 г/л (рН 7,6). Использовалась для культивирования E. coli.
Твердая агаризованная среда на основе LB содержала 15 г/л агара.
2)
Среда М3: KH2PO4 – 0,5 г/л; K2HPO4 – 0,5 г/л (рН 7,0-7,2);
(NH4)2HPO4 – 1,5 г/л; FeSO4 – 0,005 г/л; ZnSO4 – 0,002 г/л; MgSO4 – 0,2 г/л;
Глицерин (w/v) – 5 г/л; Дрожжевой экстракт – 5 г/л; Пептон – 5 г/л.
Использовалась для культивирования Mycolicibacterium smegmatis. Для
оптимального роста клеток в жидкой среде необходимо добавить Твин-80 до
0,5-1 г/л. Стерилизация: Р=1 атм, t=30 мин.
3)
Среда Саутона: KH2PO4 – 0,5 г/л; MgSO4×7 H2O – 1,4 г/л; L-
аспарагин – 4 г/л; Глицерин (w/v) – 6 г/л; Цитрат железа (III)-аммония – 0,05
г/л; Цитрат натрия – 2 г/л; 0,0001 % ZnSO4 (рН 7,0); 0,05% Твин-80. Среда
использовалась для культивирования Mycobacterium tuberculosis H37Rv.
4)
Среда
Саутона
(дефицитная):
Na2PO4×7
H2O
–
8,9
г/л;
MgSO4×7 H2O – 1,4 г/л; L-аспарагин – 4 г/л; Глицерин (w/v) – 6 г/л;
Цитрат железа (III)-аммония – 0,05 г/л; Цитрат натрия – 2 г/л; 0,0001 % ZnSO4
(рН 7,0); 0,05% Твин-80. Среда использовалась для получения дормантных
клеток Mycobacterium tuberculosis H37Rv.
5)
Среда Миддлбрука: KH2PO4 – 2 г/л; Na2PO4 – 1,5 г/л; Глутамат
натрия – 0,5 г/л; Цитрат натрия – 0,1 г/л; (NH4)2SO4 – 0,5 г/л; Пиридоксин –
0,001 г/л; Цитрат железа (III)-аммония – 0,04 г/л; MgSO4 – 0,05 г/л; ZnSO4 –
0,001 г/л; CuSO4 – 0,001 г/л; Биотин – 0,5 мг/л; CaCl2 – 0,5 мг/л; Глицерин (w/v)
– 0,2 г/л; 10%) Олеиновая кислота-Альбумин-Декстроза-Каталаза (v/v); 0,05%
Твин-80.
Среда
использовалась
Mycobacterium tuberculosis H37Rv.
для
получения
дормантных
клеток
36
Основные буферы:
1)
1×буфер для Taq-полимеразы [84]: 20 мМ Трис-HCl (pH 8,3); 20
мМ KCl; 5 мМ (NH4)2SO4.
2)
1×буфер для KOD Hot Start полимеразы [85]: 50 мM Трис-HCl (рН
8,0); 1 мM Дитиотреитол; 0,1 мM ЭДТА; 50% Глицерин; 0,001% Нонидет P40; 0,001% Tween-20.
3)
5×ТВЕ буфер для проведения электрофореза ДНК: Трис-OH –
53,91 г/л; борная кислота – 27,51 г/л; 10 мМ ЭДТА.
4)
ТЕ: 10 мМ Трис-HCl (pH 8,0); 1 мМ ЭДТА.
5)
EВ-буфер для хранения ДНК: 10 мМ Трис-HCl (pH 8,0).
6)
6×буфер для нанесения образцов на гель (Load Dye buffer): 0,25 %
Бромфеноловый синий (БФС); 0,25% Ксиленцианол; 30% Глицерин.
7)
5x
Трис-глициновый буфер
для
электрофореза белков в
дентатурирующих условиях: 125 мМ Трис-ОН (pH 8,3); 1,9 М Глицин; 0,5%
Додецилсульфат натрия (ДСН).
8)
Буфер для приготовления проб для электрофореза белков в
дентатурирующих условиях: 80 мМ Трис-HCl (рН 6,8); 2% ДСН; 25 мМ βмеркаптоэтанол; 10% Глицерин; 0,05% БФС.
9)
5x Трис-глициновый буфер для электрофореза белков в нативных
условиях: 125 мМ Трис-ОН (pH 8,3); 1,9 М Глицин.
10) Буфер для приготовления проб для электрофореза белков в
нативных условиях: 80 мМ Трис-HCl (рН 6,8); 16% Глицерин; 0,05% БФС.
11) Раствор Бредфорда: Кумасси бриллиантовый синий G-250 – 100
мг/л; 4,8% Этанол; 8,5% Фосфорная кислота.
Для гидролиза ДНК эндонуклеазами рестрикции использовались,
буферы, рекомендуемые фирмами-поставщиками.
37
Буферы для хроматографической очистки белка RpfB:
1)
Буфер 1 для лизиса клеток: 50 мМ Na-фосфатный буфер (рН 8,0);
0,3 М NaCl; 10 мМ Имидазол; 7 мМ β-меркаптоэтанол; 0,5 мМ
Фенилметилсульфонил фторид (ФМСФ).
2)
Буфер 2: 50 мМ Na-фосфатный буфер (рН 8,0); 0,5 М NaCl; 10 мМ
Имидазол; 7 мМ β-меркаптоэтанол.
3)
Буфер 3: 50 мМ Na-фосфатный буфер (рН 8,0); 0,15 М NaCl; 20 мМ
Имидазол; 7 мМ β-меркаптоэтанол.
4)
Буфер 4 для элюции: 50 мМ Na-фосфатный буфер (рН 8,0); 0,15 М
NaCl; 200 мМ Имидазол; 7 мМ β-меркаптоэтанол.
5)
Буфер 5 для диализа №1: 50 мМ Трис-HCl (рН 8,0); 0,15 М NaCl;
7 мМ β-меркаптоэтанол.
6)
Буфер 6 для хранения: 50 мМ Трис-HCl (рН 8,0); 0,15 М NaCl; 10
мМ β-меркаптоэтанол; 0,1 мМ ЭДТА; 50% Глицерин (w/v).
Буферы для хроматографической очистки TEV-протеазы:
7)
Буфер 7 для лизиса клеток: 50 мМ Трис-HCl (рН 7,5); 0,3 М NaCl;
30 мМ Имидазол; 0,5 мМ ФМСФ.
8)
Буфер 8: 50 мМ Трис-HCl (рН 7,5); 0,3 М NaCl; 50 мМ Имидазол.
9)
Буфер 9: 50 мМ Трис-HCl (рН 7,5); 0,3 М NaCl; 100 мМ Имидазол.
10) Буфер 10 для элюции: 50 мМ Трис-HCl (рН 7,5); 0,3 М NaCl; 300
мМ Имидазол.
11) Буфер 11 для диализа №1: 50 мМ Трис-HCl (рН 7,5); 0,15 М NaCl;
5 мМ β-меркаптоэтанол.
12) Буфер 12 для хранения: 25 мМ Трис-HCl (рН 7,5); 0,1 М NaCl; 10
мМ β-меркаптоэтанол; 0,1 мМ ЭДТА; 50% Глицерин (w/v).
Олигонуклеотидные праймеры, которые использовались в данной
работе, представлены в таблице 1.
38
Таблица 1
Олигонуклеотидные праймеры
Температура
Название
Нуклеотидная последовательность
плавления
(Tm, oC)
1. rpf 1B
2. pET ter+
3. rpfB137B
4. rpfB-
5' AAAAGGATCCGCATGC
AAAACCGTAACCCTGAC 3'
5' GCTAGTTATTGCTCAGCGGTGGC 3'
5’ ATATGGATCCTCTGCGAAAA
CCGTTCAACTGAAC 3'
5’ ATATGGATCC
Tm=61,2
Tm=60,9
Tm=61,1
Tm=62,2
194B
CGCAACCGCATCAAAAAAGTCAC 3'
5. pET fwd
5' GTCCGGCGTAGAGGATCGAGAT 3'
Tm=60,2
6. pET t7pr1
5' CCCGCGAAATTAATACGACTCAC 3'
Tm=58,5
7. pET t7pr
8. D291 up
9. D291 lo
10.D292 up
11.D292 lo
5' CCCGCGAAATTAAT
ACGACTCACTAT 3'
5’ TGACGTTGAAGCCTTCCTGG 3’
Tm=60,6
5’ ACTGTATAAGTGA
Tm=60,9
CTCGCGTCTGCTCGGTAAG 3’
5’ GAGCAGACGCGAGTCAC
TTATACAGTTCGTCCATGCC 3’
5’ CATTCCTAGACAAGGAGAT
13.D293 lo
Tm=61,1
Tm=60,4
TAGCAGATGGTGTCGAAGGGCGAAG 3’
5’ ACCATCTGCTAATCTCCTTGTCTAG
12.D293 up
Tm=59,6
GAATGAGCCTAGGTCACGTACGGTG 3’
5’ ttttAAGCTTGAGTCGCTGAT
Tm=61,6
Tm=60,3
39
GGACTACCTG 3’
14.D29seq1
5’ GCGTAAGTAGCGGGGTTGC 3’
Tm=61,8
5’ CCATATGGTGCTGCTGGAGTTC 3’
Tm=61,7
5’ CCGAGAACTTATGGCCGTTCAC 3’
Tm=61,9
5’ GATAACGTTCTCGGCTCGATGATC 3’
Tm=61,8
5’ GGGGCACATGACCGTTTGTC 3’
Tm=62,2
5’ GGACATCGAGCTTCGTTGACC 3’
Tm=61,7
up
15.D29seq1
lo
16.D29seq2
up
17.D29seq2
lo
18.D29seq3
up
19.D29seq3
lo
Нуклеотиды, не соответствующие последовательности ДНК матрицы,
подчеркнуты.
2.2. Штаммы бактерий и бактериофагов, плазмидные вектора
Используемые в работе штаммы бактерий:
E.coli DH5α:
-
r
-
+
F , gyrA96, (Nal ), recA1, relA1, endA1, thi-1, hsdR17, (rk mk ) glnV44,
deoR, Δ(lacZYA-argF)U169 [Φ80dΔ(lacZ)M15]
Данный штамм является реципиентом при конструировании плазмид.
E.coli Origami B (DE3):
F- ompT hsdSB (rB– mB–) gal dcm lacY1 ahpC gor522::Tn10 (TcR) trxB::kan
(DE3)
Использовался для экспрессии белков Rpf.
E.coli BL21 (DE3) pLysE:
40
F- ompT hsdSB (rB– mB–) gal dcm (DE3) pLysE (CmR)
Использовался для экспрессии TEV-протеазы.
Mycolicibacterium smegmatis mc2155
Данный штамм является пермиссивным для бактериофага D29.
Используемый в работе штамм бактериофагов:
D29
–
литический
микобактериофаг,
инфицирующий
клетки
Mycobacterium tuberculosis, Mycolicibacterium smegmatis.
Используемые в работе плазмидные вектора:
pET-19mod – содержит ген-репрессор LacI, использовался для
клонирования и наработки в E. coli белка RpfB.
pTSL – содержит участок, кодирующий белок E. coli SlyD,
который обладает двумя активностями – является молекулярным шапероном
и
цис/транс-пептидил-пролил-изомеразой.
Вектор
использовался
для
клонирования и наработки в E. coli гибридных белков SlyD/RpfB,
SlyD/RpfB_137, SlyD/RpfBΔDUF с шестью гистидиновыми остатками на Nконце. При этом SlyD может быть отщеплен TEV-протеазой [67].
pET-19bTEV – содержит участок, кодирующий протеазу вируса
травления табака (TEV-протеаза, Tobacco etch virus), которая является
высокоспецифичной цистеиновой протеазой. Вектор использовался для
наработки в E. coli TEV-протеазы с десятью гистидиновыми остатками на Nконце.
pSMT3-M
–
высококопийный
вектор,
клонирования в Mycolicibacterium smegmatis гена eGFP.
использовался
для
41
2.2. Методы исследования
2.2.1. Полимеразная цепная реакция (ПЦР)
Полимеразная цепная реакция (ПЦР) — метод молекулярной биологии,
позволяющий добиться значительного увеличения малых концентраций
определённых фрагментов нуклеиновой кислоты (ДНК) в биологическом
материале (пробе) [79].
ПЦР проводили в 25 мкл смеси, содержащей 1× реакционный буфер,
соответствующий используемой термостабильной ДНК-полимеразе, 1,5 мМ
(или
MgSO4
15
мМ
MgCl2),
200
мкМ
каждого
из
дезоксинуклеозидтрифосфатов, по 0,5 мкМ «верхнего» и «нижнего»
праймеров, 0,02 ед. KOD Hot start полимеразы (1 ед./мкл) или 1,25 ед. Taqполимеразы (5 ед./мкл), 10 нг матричной ДНК [84, 85].
ПЦР проводили в ДНК-амплификаторе Eppendorf, в следующих
условиях: после активации полимеразы при 95°С в течение 3 минут следовали
26 циклов, включающих денатурацию при 95°С в течение 15 с., отжиг в
течение 10 с. при температуре, равной температуре отжига используемых в
данной реакции праймеров, элонгацию при 70°С (72°С) в течение времени,
выбранного в зависимости от размера синтезируемого фрагмента, из расчета
4000 п.н./мин (1000 п.н/мин).
При
анализе
клонов
бактерий
небольшое
количество
клеток
суспендировали в 10 мкл деионизованной воды, добавляли в ПЦР-смесь 1 мкл
суспензии.
Очистка ПЦР-продуктов проводилась с помощью QIAquick PCR
Purification Kit [87].
42
2.2.2. Гидролиз ДНК эндонуклеазами рестрикции и лигирование
фрагментов ДНК
Гидролиз плазмидной ДНК, ПЦР-фрагментов
Для гидролиза плазмидной ДНК, ПЦР-фрагментов эндонуклеазами
рестрикции
использовались
буферы,
рекомендуемые
фирмами-
поставщиками. Количество фермента для каждой реакции рассчитывали с
учетом количества сайтов на ДНК фага λ, а также соотношения длины целевой
и фаговой ДНК. Как правило, для гидролиза использовали 4-кратный избыток
фермента.
Лигирование фрагментов ДНК
Для
проведения
лигирования
использовали
фрагменты
ДНК,
очищенные из геля набором QIAquick Gel Extraction Kit [87]. Реакцию
лигирования проводили при 16 °С в течение 14 – 16 ч в 15 мкл реакционной
смеси, содержащей 1× буфер для лигирования (содержание dATP в буфере
должно быть не меньше 0,5 мМ), 50 – 100 нг ДНК вектора, 5-кратный
молярный избыток клонируемого фрагмента ДНК, 5% ПЭГ 4000 (w/v) и 1 ед.
ДНК-лигазы фага Т4 (1 ед./мкл). ДНК-лигазу инактивировали прогреванием
при 65°С в течение 10 минут, далее лигазную смесь использовали для
трансформации [86].
2.2.3. Получение компететных клеток E. coli и трансформация
Кальциевый метод получения химически компетентных клеток E. coli
Единичной колонией реципиентного штамма с однодневной чашки
инокулировали 5 мл LB и выращивали ночную культуру при 37 °С в течение
16 ч без аэрации. 100 мл LB инокулировали 1 мл ночной культуры,
выращивали культуру на роторной качалке при 37°С до ОД590 = 0,5. Далее все
процедуры проводили при 4°С. Культуру охлаждали в течение 10 минут и
центрифугировали при 5000 об/мин в течении 15 мин (EPPENDORF 5804 R,
Германия). Осадок ресуспендировали в 50 мл 80 мM MgCl2; 20 мМ CaCl2 и
43
инкубировали при 4°С в течение 30 мин. После центрифугирования (5000
об/мин, 15 мин) клетки ресуспендировали в 4 мл 0,1 М CaCl 2, 15% глицерина
(w/w). Компетентные клетки фасовали по 100 мкл, хранили при -70°С.
Эффективность трансформации полученных компетентных клеток составляет
107 клонов на 1 мкг ДНК.
Химическая трансформация компетентных клеток E. coli
Компетентные клетки размораживали на льду, добавляли 10 – 50 нг
ДНК, перемешивали и инкубировали во льду в течение 30 мин. Тепловой шок
проводили прогреванием клеток при 42°С в течение 1 мин. Клетки охлаждали
во льду в течение 1 мин, добавляли 1 мл LB и инкубировали при 37°С в течение
60 мин. 100 мкл смеси высевали на подсушенные чашки Петри с
агаризованной
LB-средой,
содержащей
селективный
антибиотик,
и
инкубировали при 37°С до появления единичных колоний [62].
2.2.4. Анализ рекомбинантных клонов
Единичные клоны пересевали по секторам на LB-агар, содержащий
соответствующий антибиотик, и выращивали в течение 16 ч при 37 °С.
Единичную колонию ресуспендировали в 10 мкл деионизованной воды, 1 мкл
суспензии использовали в качестве матрицы для скрининга на наличие
вставки с помощью ПЦР. Соответствие размера вставки проверяли
электрофорезом в 1% агарозном геле.
2.2.5. Электрофорез ДНК в агарозном геле
Электрофорез в агарозном геле используется для разделения молекул
нуклеиновых кислот по размеру. Агарозный гель служит своеобразным
молекулярным ситом. В растворе нуклеиновые кислоты несут суммарный
отрицательный заряд за счёт диссоциации остатков ортофосфорной кислоты
(PO43-). Отрицательный заряд обуславливает движение нуклеиновой кислоты
в электрическом поле от катода к аноду. Величина этого заряда практически
44
не зависит от окружающей среды, а отношение заряда к массе практически
одинаково для всех нуклеиновых кислот. Поэтому их разделение в агарозном
геле при постоянном электрическом токе происходит за счёт различий между
размерами молекул [75].
Электрофорез ДНК проводили в 1% агарозном геле, содержащем 5
мкг/мл бромистого этидия, в 0,5×ТВЕ при напряженности электрического
поля
8
В/см.
Для
определения
размеров
полученных
фрагментов
использовались маркеры М4, М6, которые представляют собой смесь
индивидуальных фрагментов ДНК с известной концентрацией. После
электрофореза гель визуализировали в УФ-свете при длине волны 254 или 360
нм.
2.2.6. Выделение плазмидной ДНК и определение концентрации
Единичной колонией E. coli с однодневной чашки инокулировали 5 мл
LB и выращивали ночную культуру с добавлением селективного антибиотика
при 37°С в течение 16 ч с аэрацией. Выделение плазмидной ДНК поводили
набором Plasmid Purification Kit [88].
Концентрацию ДНК оценивали визуально с помощью электрофореза
или спектрофотометрически с помощью NanoDrop2000c [68]. Чтобы оценить
качество полученной ДНК, вычисляли отношение показателей, полученных
при ОД260 и ОД280. Значение, равное 1,8, отражает отсутствие фенольных и
белковых примесей в ДНК.
2.2.7. Конструирование плазмид
Все процедуры клонирования проводили стандартными методами [62].
Последовательность ОРС гена rpfB M. tuberculosis без участка,
кодирующего сигнальный пептид (первые 22 а.о.), была адаптирована и
синтезирована для экспрессии в клетках E. coli.
45
Для конструирования плазмиды pTSL_rpfB полноразмерная ОРС rpfB,
размером 1023 п.н., была получена методом ПЦР с праймерами 1 и 2. Затем
ОРС была клонирована по сайтам SalI-BamHI в плазмиду pTSL.
Плазмида pTSL_rpfB_137 содержит ОРС rpfB, у которой делетирована
область, кодирующая 2 из 3-х DUF-доменов. Для конструирования плазмиды
ПЦР-фрагмент (681 п.н.), полученный с парой праймеров 2 и 3, клонировали в
SalI-BamHI сайты плазмиды pTSL.
Плазмида
pTSL_rpfBΔDUF
содержит
ОРС
rpfB,
у
которой
делетирована область, кодирующая 3 DUF-домена. Для конструирования
плазмиды ПЦР-фрагмент, полученный с парой праймеров 2 и 4, клонировали
в SalI-BamHI сайты плазмиды pTSL.
Плазмида pSMT3-M_eGFP_63-64 содержит вставку, состоящую из
ОРС eGFP, фланкированную участками ДНК фага D29 таким образом, чтобы
eGFP располагался между областью генов 63 и 64 фага D29. Перед ОРС eGFP
введён лидерный участок гена 17, кодирующий основной белок капсида
длиной 25 п.н. (12 071 – 12 095). Для конструирования плазмиды ПЦРфрагмента (2021 п.н.), состоящий из трех ПЦР-продуктов, полученных с
парами праймеров 8 – 9 (701 п.н.), 10 – 11 (758 п.н.), 12 – 13 (803 п.н.),
клонировали в BamHI-HindIII сайты плазмиды pSMT3-M.
Успешность клонирования в вектора pTSL и pSMT3-M подтверждена
секвенированием.
2.2.8. Экспрессия ОРС TEV
Клетки E. coli BL21 (DE3) pLysE, трансформированные плазмидой
pET-19bTEV, высевали на чашки с агаризованной средой LB, содержащей
ампициллин Amp (75 мкг/мл), хлорамфеникол Cm (34 мкг/мл) и выращивали
в течение ночи при 37°С. Затем клетки суспендировали в 5 мл LB, растирая
биомассу шпателем Дригальского, и полученной суспензией инокулировали
500 мл среды LB (5 колб по 100 мл среды) с Amp (100 мкг/мл), Cm (34 мкг/мл).
46
Культуру выращивали при 37°С до ОД590 =0,9, добавляли ИПТГ до конечной
концентрации 0,05 мМ и продолжали инкубировать при 20°С при 170 об/мин
в течении 18 ч. Затем клетки центрифугировали (5000 об/мин, 4 °С, 20 мин) и
ресуспендировали в 25 мл буфера 7.
2.2.9. Очистка TEV-протеазы
Все
этапы
очистки
проводили
при
4°С.
На
всех
этапах
хроматографической очистки фракции, содержащие фермент, соотносили с
данными белкового электрофореза. Клетки разрушали ультразвуком в
присутствии
ингибитора
сериновых
протеаз
ФМСФ
до
конечной
концентрации 0,5 мМ. Клеточный дебрис удаляли центрифугированием
(12000 об/мин, 4 °С, 30 мин). Осветленный лизат наносили на колонку с 2 мл
Ni-NTA сефарозой 6 Fast Flow, уравновешенную буфером 7. Колонку
последовательно промывали 5 объемами буферов 8, 9, наносили буфер 10 для
элюции, собирали 6 фракций по 1 мл. Фракции, содержащие TEV-протеазу в
высокой концентрации, объединяли. Полученную фракцию (0,7 мг/мл, 3,5 мг
общего белка) разбавили в 6 раз буфером для диализа 11 для предотвращения
возможной агрегации TEV-протеазы при дальнейшем проведении диализа
против буфера 11 (0,3 мг/мл, 3 мг общего белка). После проводили
последовательное концентрирование TEV-протеазы на центриконе (4500
об/мин, 40С, 10 мин) до концентрации 0,4 мг/мл, 2,2 мг общего белка.
Наблюдалась
частичная
Растворимую
фракцию
агрегация
белка,
белка
при
полученную
концентрировании.
при
В
центрифугировании,
диализовали против буфера 12. Фермент хранили при -70°С. В ходе работы
был получен очищенный препарат TEV-протеазы в концентрации 0,66 мг/мл
в объеме 3 мл (2 мг общего белка).
47
2.2.10. Экспрессия slyD/rpfB, slyD/rpfB-137, slyD/rpfBΔDUF
Клетки E. coli Origami B (DE3), трансформированные плазмидами
pTSL_rpfB,
pTSL_rpfB_137,
pTSL_rpfBΔDUF
высевали
на
чашки
с
агаризованной средой LB, содержащей ампициллин Amp (75 мкг/мл) и
выращивали в течение ночи при 37°С. Затем клетки суспендировали в 5 мл
среды LB, растирая биомассу шпателем Дригальского, и полученной
суспензией инокулировали 400 мл среды LB для RpfB, RpfBΔDUF (4 колбы по
100 мл среды для каждого белка) с Amp (100 мкг/мл). В случае RpfB_137
инокулировали 100 мл среды LB. Культуру выращивали при 37°С до ОД590 =
0,4-0,6 (приблизительно 2×108 кл/мл), отбирали пробу тотального экстракта
клеток (для контроля), добавляли ИПТГ до конечной концентрации 0,25 мМ и
продолжали инкубировать при 20°С при 100 об/мин в течении 20 ч. Затем
клетки центрифугировали (5000 об/мин, 4 °С, 20 мин) и ресуспендировали в
60 мл буфера 1.
2.2.11. Очистка RpfB-белков
Все
этапы
очистки
проводили
при
4°С.
На
всех
этапах
хроматографической очистки фракции, содержащие фермент, соотносили с
данными белкового электрофореза. Клетки разрушали ультразвуком в
присутствии ингибитора сериновых протеаз ФМСФ в конечной концентрации
0,5 мМ. Клеточный дебрис удаляли центрифугированием (12000 об/мин, 4 °С,
30 мин). Осветленный лизат наносили на колонку с 1 или 2 мл Ni-NTA
сефарозой 6 Fast Flow, уравновешенную буфером 1. Колонку последовательно
промывали 10 объемами буферов 2, 3, наносили буфер 4 для элюции, собирали
6 фракций по 1 или 0,5 мл. К фракциям, содержащим RpfB-белки в высокой
концентрации, добавляли TEV-протеазу (0,5 мг/мл) в соотношении E:S=1:20
по массе, диализовали против буфера 5. После диализа активную фракцию
наносили на колонку с 1,5 или 2,6 мл Ni-NTA-сефарозой 6 FF, уравновешенной
буфером 5, собирали фракцию проскока. Фракцию очищенного белка
48
диализовали против буфера 6, определяли конечную концентрацию. Фермент
хранили при -20 °С.
2.2.12. Определение концентрации белков
Концентрацию белков определяли по методу Бредфорда или
спектрофотометрически по измерению УФ-поглощения белковой пробы при
длине волны 280 нм. Для расчета концентрации белка, полученные значения
поглощения препарата белка, с учетом разведения, умножали на молярный
коэффициент
экстинкции,
который
рассчитывали
исходя
из
его
аминокислотной последовательности [68].
Для определения концентрации по методу Бредфорда к 10 мкл
стандарта или неизвестного образца добавляли 300 мкл реагента Бредфорда,
проводили инкубацию в течении 10 минут при комнатной температуре. После
проводили измерение OD595 для стандарта и неизвестного образца,
соответственно. В качестве калибровочного белка использовали бычий
сывороточный альбумин [89].
2.2.13. Электрофорез белков в ПААГ в денатурирующих условиях
Электрофорез белков проводили в ПААГ по методу Лэммли [29]. В 2
мл 5% концентрирующего геля содержалось: 0,05 % акриламид с 0,075%
бисакриламидом, 125 мМ Трис-HCl (pH 6,8), 0,1% ДСН, 0,1% ТЕМЕД, 0,1%
персульфата аммония (ПСА). В 5 мл 15% разделяющего геля содержалось:
14,96% акриламид с 0,272% бисакриламидом, 381 мМ Трис-HCl (pH 8,7), 0,1%
ДСН, 0,1% ТЕМЕД, 0,1% ПСА.
Анализируемые образцы кипятили в течение 5 мин в “буфере для
приготовления проб для белкового фореза”. Электрофоретическое разделение
проводили в трис-глициновом буфере для электрофореза в денатурируюзих
условиях (в присутствии ДСН) под действием силы тока 15-20 мА. После
электрофореза гель окрашивали при 100°С раствором, содержащим 0,04%
49
Кумасси бриллиантового синего G-250 и 3,5% хлорной кислоты, а затем 2 – 3
раза отмывали в дистиллированной воде при 100°С.
2.2.14. Электрофорез белков в ПААГ в нативных условиях
Электрофорез белков проводили в ПААГ по методу Орнштейна и
Дэвиса [81]. В 2 мл 5% концентрирующего геля содержалось: 0,05 %
акриламид с 0,075% бисакриламидом, 125 мМ Трис-HCl (pH 6,8), 0, 0,1%
ТЕМЕД, 0,1% персульфата аммония (ПСА). В 5 мл 15% разделяющего геля
содержалось: 14,96% акриламид с 0,272% бисакриламидом, 381 мМ Трис-HCl
(pH 8,7), 0,1% ТЕМЕД, 0,1% ПСА.
Электрофоретическое разделение проводили в трис-глициновом
буфере для электрофореза в нативных условиях (в отсутствии ДСН) под
действием силы тока 15-20 мА. После электрофореза гель окрашивали при
100°С раствором, содержащим 0,04% Кумасси бриллиантового синего G-250
и 3,5% хлорной кислоты, а затем 2 – 3 раза отмывали в дистиллированной воде
при 100°С.
2.2.15. Получение дормантных клеток М. tuberculosis
Классический метод
Активно растущие клетки М. tuberculosis H37Rv выращивали на среде
Саутона при 37°С с аэрацией до OD580=4,0. 50 мкл культуры (5*105 КОЕ/мл)
инокулировали 100 мл дефицитной среды Саутона, инкубировали при 37°С с
аэрацией в течении 14 суток до снижения КОЕ/мл. После снижения КОЕ/мл
добавляли рифампицин (5 мкг/мл) для элиминации культивируемых бактерий
и получения популяции дормантных клеток [22].
Модифицированный метод
Активно растущие клетки М. tuberculosis H37Rv выращивали при 37°С
с аэрацией до стадии логарифмического роста (OD580=1,5, 4*1010 КОЕ/мл). 50
мкл культуры инокулировали 10 мл среды Миддлбрука, содержащей
50
рифампицин (5 мкг/мл), инкубировали при 37°С с аэрацией в течении 3 суток
(4*108 КОЕ/мл) [35].
2.2.16. ПЦР «в реальном времени»
ПЦР «в реальном времени» – метод, позволяющий регистрировать
накопление ДНК с использованием флуоресценции и количественно оценить
ДНК в образце. Для этой цели применяют флуоресцентные метки
(флуорофоры) двух видов:
1)
Интеркалирующие
флуорофоры
–
соединения,
которые
встраиваются в любые двуцепочечные молекулы нуклеиновой кислоты и
повышают интенсивность флуоресценции. Примерами таких красителей
может служить SYBR Green или SYBR Gold. Интеркалирующие красители
обладают существенным ограничением, поскольку регистрируют все
двуцепочечные ДНК, включая неспецифичные продукты реакции.
2) Флуорофоры для мечения олигонуклеотидов – это соединения,
интенсивность флуоресценции которых не зависит от связывания с ДНК и
регулируется
так
называемыми
гасителями
(темновыми
или
флуоресцирующими). Олигонуклеотиды, меченные парой флуорофор–
гаситель, используют в качестве зондов (пробы) для гибридизации со
специфическим участком молекулы ДНК [79, 80].
В данной работе использовался интеркалирующий флуорофор (SYBR
Green).
ПЦР «в реальном времени» проводили на устройстве ДТ-48 (ДНКтехнология, Россия). Работа прибора основана на применении метода ПЦР с
одновременной детекцией сигнала флуоресценции непосредственно в ходе
реакции амплификации. По изменению сигнала флуоресценции можно
проследить
кинетику
ПЦР.
Количественный
анализ
результатов
амплификации основывается на определении величины порогового цикла. Для
51
анализа результатов ПЦР «в реальном времени» используется программное
обеспечение, поставляемое с прибором.
2.2.17. Получение электрокомпетентных клеток M. smegmatis
M. smegmatis выращивали в 100 мл среды M3 при 37°С и 220 об/мин до
достижения оптической плотности OD600=0,4-1,0. Полученные культуры
охлаждали в ледяной бане в течении 30 минут и центрифугировали (5000
об/мин, 4°С, 20 мин). Осадки промывали последовательно два раза 50 мл
охлажденной деионизованной воды и один раз 50 мл 15% водного раствора
глицерина (5000 об/мин, 4°С, 10 мин). Клетки суспендировали в 3 мл 15%
раствора глицерина, фасовали по 200 мкл и хранили при -70°С [10].
2.2.18. Электропорация M. smegmatis
К электрокомпетентным клеткам добавляли до 200 нг плазмидной
ДНК, растворенной в деионизованной воде (в объеме не более 5 мкл),
инкубировали на льду в течение 10 мин и переносили в предварительно
охлажденные во льду кюветы для электропорации. Электропорацию
проводили на приборе «MicroPulser» (Bio-Rad, США) в 0,1 см кюветах тремя
импульсами
при
напряженности
электрического
поля
1,75
кВ.
К
электропорированным клеткам добавляли 1 мл среды M3, инкубировали 3
часа при 37°С с аэрацией и высевали на агаризованную среду M3 с 75 мкг/мл
гигромицина [83].
2.2.19. Конструирование бактериофага D29_eGFP
Для получения рекомбинантного бактериофага D29_eGFP_63_64,
клетки
Mycolicibacterium
smegmatis,
несущие
плазмиду
pSMT3-
M_eGFP_63_64, выращивали в среде «М3» при 37°С до ОД590=10-12.
Полученную культуру инфицировали фагом D29, проводили преадсорбцию в
течении 20 минут. В мягкий агар непосредственно перед высевом добавляли
52
CaCl2 в конечной концентрации 1-10 мМ. Фаговое потомство высевали на
агаризованную
среду
«М3»,
содержащую
гигромицин
(75
мкг/мл).
Полученные фаговые колонии экстрагировали в течении 16 часов при
температуре 4°С и центрифугировали для удаления клеток (10000 об/мин, 10
минут). Полученным первичным лизатом инфицировали клетки M. smegmatis
(ОД590=10-12), высевали на агаризованную среду «М3» и экстрагировали, как
описано выше. Затем проводили определение титра фага.
53
Глава 3. Результаты и обсуждение
3.1. Клонирование rpfB, rpfB_137, rpfBΔDUF
RpfВ вносит наибольший вклад в реактивацию дормантных клеток
M. tuberculosis, что делает возможным использование данного белка для
диагностики инфекции латентного туберкулеза [64]. Структурная организация
RpfB включает в себя каталитический, G5 домены, три DUF-домена, функция
которых на данный момент неизвестна.
Для повышения уровня экспрессии ген rpfB M. tuberculosis размером
1023 п.н. оптимизировали по нуклеотидному составу для экспрессии в клетках
E. coli и клонировали в вектор в pET-19mod под контроль индуцибельного
T7lac-промотора.
Гибридный
промотор
T7lac
состоит
из
двух
функциональных элементов: первый – собственно промотор гена 10 фага Т7,
который специфически узнается РНК-полимеразой фага Т7, а второй –
операторный участок промотора lac-оперона E. coli, с которым связывается
репрессор
LacI.
Появление
в
клетках
РНК-полимеразы
фага
Т7
обеспечивалось наличием ее гена под контролем lac-промотора в хромосоме
штамма E. coli Origami B (DE3), в котором экспрессировали rpfB.
Для исследования роли DUF-доменов в реактивации дормантных
клеток M. tuberculosis были наработаны BamHI-SalI-фрагменты, кодирующие
полноразмерный ген rpfB, а также варианты данного гена с делециями по DUFдоменам (rpfB_137, rpfBΔDUF). ОРС rpfB_137 содержит ОРС rpfB, у которой
делетирована область, кодирующая 2 из 3-х DUF-доменов. ОРС rpfBΔDUF
кодирует каталитический, G5 домены белка RpfB.
В ранних экспериментах было показано, что при экспрессии в клетках
E. coli белок RpfB нарабатывается преимущественно в тельцах включения
(рис. 1).
54
Рисунок 1. Электрофореграмма аналитической экспрессии белка RpfВ
1 – грубый лизат клеток до индукции, 2 – грубый лизат клеток после
индукции, 3 – осветлённый клеточный лизат после индукции, 4 – осадок
клеток после индукции, М – маркер.
На первом этапе работы было необходимо подобрать условия
получения препарата белка RpfB в растворимой форме. Для этого BamHI-SalIфрагменты rpfB, rpfB_137, rpfBΔDUF были клонированы в вектор pTSL,
кодирующий на N-конце шаперон SlyD с His6-меткой.
SlyD представляет собой шапероноподобный белок и является членом
семейства пептидил-пролил изомераз (PPIase). Структурная организация SlyD
(рис. 2) включает PPIase, дополнительный домен IF, вставленный в петлю
домена PPIase, металл-связывающий домен.
55
Рисунок 2. Структурная организация SlyD [24]
PPIase - Пептидил-пролил изомеразный домен, IF (insertion in the flap)
– шаперонный домен, Металл-связывающий домен.
Домен PPIase, расположенный на N-конце белка, катализирует
внутреннее медленное взаимопревращение пептидил-пролил-амидных связей,
тем самым осуществляя фолдинг белка. Шаперонные свойства этого белка
приписывается
дополнительному
домену,
вставленному
в
петлю
домена PPIase, названному IF (insertion in the flap) [21].
Генетическая карта плазмиды представлена на рис. 3. Клонирование
осуществляли стандартными методами в соответствии схеме, представленной
на рис. 4.
Рисунок 3. Генетическая карта pTSL
56
Рисунок. 4. Общая схема молекулярного клонирования [74]
В результате были сконструированы рекомбинантные плазмиды
pTSL_rpfB,
pTSL_rpfB_137,
pTSL_rpfBΔDUF,
все
конструкции
были
подтверждены секвенированием.
3.2. Экспрессия slyD/rpfB, slyD/rpfB_137, slyD/rpfBΔDUF
Рекомбинантными
плазмидами
pTSL_rpfB,
pTSL_rpfB_137,
pTSL_rpfBΔDUF трансформировали клетки E. coli DH5α. Индукцию и
экспрессию ОРС slyD/rpfB, slyD/rpfB_137, slyD/rpfBΔDUF проводили в
штамме E. coli Origami B(DE3), для которого характерно более эффективное
образование дисульфидных связей засчет мутации в гене глутатионредуктазы
(gor), а также отсутствие гена ompT, кодирующего протеазу, которая может
разрушать белки во время очистки. Для данного щтамма характерна мутация
в гене lacY1 пермеазы, что обеспечивает равномерное поступление ИПТГ в
клетки E. coli. Индукцию и экспрессию проводили, как описано в главе 2.
Электрофоретический анализ показал появление в клетках белков
SlyD/RpfB, SlyD/RpfB_137, SlyD/RpfBΔDUF в растворимой форме с
молекулярными массами 66, 53, 48 кДа, соответственно. Значения
57
молекулярных масс белков SlyD/RpfB, SlyD/RpfB_137, SlyD/RpfBΔDUF
соответствуют
размерам
рассчитанным
данных
белков.
из
аминокислотной
Результаты
последовательности
экспрессии
ОРС
slyD/rpfB,
slyD/rpfB_137, slyD/rpfBΔDUF в E. coli Origami B(DE3) представлены на рис.
5, рис. 6.
Рисунок 5. Электрофореграмма аналитической экспрессии белков
SlyD/RpfВ, SlyD/RpfB_137
1 – грубый лизат клеток до индукции (SlyD/RpfВ), 2 – грубый лизат
клеток после индукции (SlyD/RpfВ), 3 – осветлённый клеточный лизат после
индукции (SlyD/RpfВ), 4 – осадок клеток после индукции (SlyD/RpfВ), 5 –
грубый лизат клеток после индукции (SlyD/RpfB_137), 6 – осветлённый
клеточный лизат после индукции (SlyD/RpfB_137), 7 – осадок клеток после
индукции (SlyD/RpfB_137), М – маркер.
58
Рисунок 6. Электрофореграмма аналитической экспрессии белка
SlyD/RpfBΔDUF
1 – грубый лизат клеток до индукции, 2 – грубый лизат клеток после
индукции, 3 – осветлённый клеточный лизат после индукции, 4 – осадок
клеток после индукции, М – маркер.
Аналитическая
экспрессия
гибридных
белков
SlyD/RpfB,
SlyD/RpfB_137, SlyD/RpfBΔDUF в клетках E. coli продемонстрировала
наработку данных белков преимущественно в растворимой форме (рис. 5, рис.
6). Далее гибридные белки подвергаются очистке на Ni-NTA сефарозе с
последующим отщеплением SlyD TEV-протеазой.
3.2. Экспрессия и очистка TEV-протеазы
TEV-протеаза необходима для гидролиза гибридных белков SlyD/RpfB,
SlyD/RpfB_137, SlyD/RpfBΔDUF в высокоспецифичном TEV-протеазном
сайте с высвобождением SlyD и соответствующих белков. SlyD и TEVпротеаза, в отличие от получаемых при расщеплении RpfB-белков, содержат
последовательность из шести и десяти гистидинов, соответственно.
Это
позволяет проводить хроматографическое удаление SlyD и TEV-протеазы из
препаратов целевых белков на Ni-NTA сефарозе 6 Fast Flow.
Плазмидой pET-19bTEV трансформировали клетки E. coli BL21 (DE3)
pLysE. Экспрессию и индукцию ОРС TEV проводили, как описано в главе 2.
59
Электрофоретический анализ показал появление в клетках белка в
растворимой форме с молекулярной массой 27,5 кДа через 18 часов индукции.
После разрушения биомассы клеток (из 500 мл LB) ультразвуком в 25
мл буфера 7 осуществляли очистку белка на Ni-NTA сефарозе 6 Fast Flow по
схеме, описанной в главе 2. Белок с молекулярной массой 27,5 кДа
элюировался буфером 10 (300 мМ имидазол) в 5 мл с концентрацией 0,7 мг/мл,
т.е. 3,5 мг общего белка (рис. 7).
Рисунок 7. Электрофореграмма очистки TEV-протеазы на Ni-NTA
1 – грубый лизат клеток после индукции, 2 - осветлённый клеточный
лизат после индукции, 3 – проскок, 4 – промывка №1, 5 – промывка №2, 6 –
мертвый объем колонки, 7-11 – фракции элюции, М – маркер.
Полученную фракцию разбавили в 6 раз буфером для диализа 11 для
предотвращения возможной агрегации TEV-протеазы при дальнейшем
проведении диализа против буфера 11 (0,3 мг/мл, 3 мг общего белка). После
концентрирования получили белок в концентрации 0,4 мг/мл, 2,2 мг общего
белка. Наблюдалась частичная агрегация белка при концентрировании (рис.
8).
60
Рисунок 8. Электрофореграмма оценки чистоты препарата TEVпротеазы
1 – фракция после разбавления, 2, 3 – растворимая фракция после
концентрирования (5 и 15 мкл, соответственно), 4, 5 – осадок после
концентрирования (5 и 15 мкл, соответственно), 6, 7 – итоговый препарат
белка (5 и 15 мкл, соответственно), М – маркер.
В ходе работы был получен очищенный препарат TEV-протеазы в
концентрации 0,66 мг/мл в объеме 2,5 мл. Фермент можно использовать в
дальнейшем для гидролиза гибридных белков SlyD/RpfB, SlyD/RpfB_137,
SlyD/RpfBΔDUF с высвобождением SlyD и соответствующих целевых белков.
3.3. Очистка белка SlyD/RpfB
После экспрессии slyD/rpfB в клетках E. coli и продукции
соответствующего гибридного белка SlyD/RpfB в растворимой форме, он был
очищен хроматографией на Ni-NTA-сефарозе 6 Fast Flow. В дальнейшем
очищенный белок подвергался гидролизу TEV-протеазой, после проведения
которого был получен целевой белок RpfB.
В ходе работы были подобраны условия очистки SlyD/RpfB на Ni-NTAсефарозе 6 Fast Flow (концентрации NaCl, имидазола в буферах 2, 3). Для
фракции после гидролиза TEV-протеазой, наносимой на Ni-NTA-сефарозу,
61
была подобрана концентрация имидазола, при которой целевой белок
обнаруживается в проскоке. Данная концентрация оказалась различной для
разных белков.
После разрушения биомассы клеток (из 400 мл LB) ультразвуком в 60
мл буфера 1 осуществляли очистку белка на колонке с 2 мл Ni-NTA сефарозы
6 FF по схеме, описанной в главе 2. Белок с молекулярной массой 66 кДа
элюировался буфером 4 (200 мМ имидазол) в 4 мл с концентрацией 1,65 мг/мл,
т.е. 6,6 мг общего белка (рис. 9). К объединенным фракциям добавляли TEVпротеазу, степень гидролиза химерного белка отслеживали по данным
электрофореза (молекулярная масса SlyD составляет 27 кДа, молекулярная
масса RpfB – 41 кДа). После диализа к активной фракции добавляли имидазол
до конечной концентрации 60 мМ, наносили на колонку с 2,6 мл Ni-NTAсефарозой 6 FF. Концентрация белка в проскоке составила 0,3 мг/мл в 11 мл,
т.е. 3,3 мг общего белка (рис. 10). Полученную фракцию диализовали против
буфера 5, затем против буфера 6.
Рисунок 9. Электрофореграмма очистки белка RpfB на Ni-NTA
сефарозе
1 – грубый лизат клеток после индукции, 2 – осветлённый клеточный
лизат после индукции, 3 – проскок, 4 – промывка №1, 5 – промывка №2, 6-11
– фракции элюции, М – маркер.
62
Рисунок 10. Электрофореграмма оценки концентрации белка RpfB
1 – грубый лизат клеток до индукции, 2 – грубый лизат клеток после
индукции, 3 – осветлённый клеточный лизат после индукции, 4 –
объединенная фракция элюций, 5 – фракция элюций после гидролиза TEVпротеазой, 6-8 – итоговый препарат белка (2, 5 и 10 мкл), М – маркер.
Было получено 3 мл препарата белка RpfB в конечной концентрации
2,2 мг/мл, т.е. 6,6 мг общего белка, что является достаточным для проверки его
функциональной активности с помощью процедуры реанимации дормантных
клеток M. tuberculosis.
3.4. Очистка белка SlyD/RpfB_137
Гибридный белок SlyD/RpfB_137 был очищен хроматографией на NiNTA-сефарозе 6 Fast Flow в условиях, описанных в п. 3.3.
Для фракции после гидролиза TEV-протеазой, наносимой на Ni-NTAсефарозу, была подобрана концентрация имидазола (40 мМ), при которой
целевой белок обнаруживается в проскоке. Результаты очистки белка
RpfB_137 на Ni-NTA-сефарозе представлены на рис. 11.
63
Конечная концентрация белка RpfB_137 составила 1,2 мг/мл в 0,7 мл,
т.е. 0,8 мг общего белка.
Рисунок 11. Электрофореграмма оценки концентрации белка RpfB_137
1 – грубый лизат клеток до индукции, 2 – грубый лизат клеток после
индукции, 3 – осветлённый клеточный лизат после индукции, 4 –
объединенная фракция элюций, 5 – фракция элюций после гидролиза TEVпротеазой, 6-8 – итоговый препарат белка (2, 5 и 15 мкл, соответственно), М –
маркер.
Было получено 0,7 мл препарата белка RpfB_137 в конечной
концентрации 1,2 мг/мл, что является достаточным для проверки его
функциональной активности с помощью процедуры реанимации дормантных
клеток M. tuberculosis.
3.5. Очистка белка SlyD/RpfBΔDUF
Гибридный белок SlyD/RpfBΔDUF был очищен на хроматографией на
Ni-NTA-сефарозе 6 Fast Flow в условиях, описанных в п. 3.3.
Для фракции после гидролиза TEV-протеазой, наносимой на Ni-NTAсефарозу, была подобрана концентрация имидазола (40 мМ), при которой
64
целевой белок обнаруживается в проскоке. Результаты очистки белка
RpfBΔDUF на на Ni-NTA-сефарозе представлены на рис. 12.
Конечная концентрация белка RpfBΔDUF составила 2,2 мг/мл в 2 мл,
т.е. 4,4 мг общего белка.
Рисунок 12. Электрофореграмма оценки белка RpfBΔDUF
1 – грубый лизат клеток до индукции, 2 – грубый лизат клеток после
индукции, 3 – осветлённый клеточный лизат после индукции, 4 –
объединенная фракция элюций, 5 – фракция элюций после гидролиза TEVпротеазой, 6-8 – итоговый препарат белка (2, 5 и 15 мкл), М – маркер.
Было получено 2 мл препарата белка RpfBΔDUF в конечной
концентрации 2,2 мг/мл, что является достаточным для проверки его
функциональной активности с помощью процедуры реанимации дормантных
клеток M. tuberculosis.
3.6. Анализ мономерного состояния RpfB, RpfBΔDUF
Образование
агломератов
RpfB-белков
может
оказывать
ингибирующее действие на их активность, в частности, на способность
данных белков к реанимации дормантных форм микобактерий.
65
Для оценки возможного образования агломератов белков RpfB и
RpfBΔDUF был проведен электрофорез в полиакриламидном геле в нативных
условиях.
При этом в пробы добавлялась мочевина в концентрации до 4 М для
предотвращении возможной агрегации белков. В качестве эквивалента для
определения молекулярной массы белков был нанесен бычий сывороточный
альбумин (БСА). Результаты проведения электрофорезов для белков RpfB и
RpfBΔDUF представлены на рис.13, рис. 14.
Рисунок 13. Электрофореграмма белка RpfB в нативных условиях
1 – 0 М мочевина, 2 – 1 М мочевина, 3 – 1,5 М мочевина, 4 – 2 М
мочевина, 5 – 2,5 М мочевина, 6 – 3 М мочевина, 7 – 3,5 М мочевина, 8 – 4 М
мочевина, 9 – БСА (2 мкг), М - маркер.
66
Рисунок 14. Электрофореграмма белка RpfBΔDUF в нативных
условиях
1 – 0 М мочевина, 2 – 1 М мочевина, 3 – 1,5 М мочевина, 4 – 2 М
мочевина, 5 – 2,5 М мочевина, 6 – 3 М мочевина, 7 – 3,5 М мочевина, 8 – 4 М
мочевина, 9 – БСА (2 мкг), М – маркер.
Электрофореграммы
демонстрируют
отсутствие
агломератов
в
препаратах белков RpfB и RpfBΔDUF.
3.7. Проверка функциональной активности препарата белка RpfB
Функциональную активность полученного препарата белка RpfB
оценивали по его способности осуществлять реанимацию дормантных клеток
M. tuberculosis. В связи с тем, что в нашей лаборатории запрещено проведение
работ с микроорганизмами III группы патогенности, к которым относится
M. tuberculosis, данная работа была выполнена в сотрудничестве с
сотрудниками Национального медицинского исследовательского центра
фтизиопульмонологии и инфекционных заболеваний (г. Москва) [13].
Дормантные
клетки
М.
tuberculosis
H37Rv
были
получены
классическим способом на среде с дефицитом калия и модифицированным
способом [22]. Модифицированный способ получения дормантных клеток
М. tuberculosis заключается в инкубации активно растущей культуры в
присутствии рифампицина в течении 3 суток, как описано в главе 2. В
независимо от способа получения такие клетки микобактерий утрачивают
67
способность к росту на твердой питательной среде, то есть переходят в так
называемое дормантное состояние.
При добавлении к среде стерильного фильтрованного осветленного
лизата растущей культуры М. tuberculosis происходит реактивация, то есть
переход культуры в активное состояние. Дормантные микобактерии
становятся способны к росту на твердой питательной среде вследствие
реактивации, которая связана с наличием в осветленном лизате различных
Rpf-факторов.
Коллегами
был
разработан
ускоренный
метод
определения
дормантного состояния и реактивации М. tuberculosis с помощью литического
микобактериофага
D29.
Данный
микобактериофаг
размножается
исключительно на растущей культуре М. tuberculosis. Инфицирование
растущих клеток фагом D29 приводит к его размножению, то есть к
увеличению количества фаговой ДНК. Количество ДНК, выделенной из
клеток
М.
tuberculosis,
инфицированных
микобактериофагом
D29,
детектируется методом ПЦР «в реальном времени» с применением
сравнительного количественного анализа.
Для определения функциональной активности RpfB к дормантной
культуре добавляли 6 мкг препарата белка. Оценивали способность
осветленного стерильного лизата активной культуры к реактивации. В
качестве положительного контроля выступала активно растущая культура
М. tuberculosis, в качестве отрицательного контроля – дормантная культура,
полученная классическим методом.
Отбор проб для каждого образца осуществляли на 1, 7, 14 сутки после
инфицирования М. tuberculosis микобактериофагом D29.
Для каждого образца оценивали изменение значений величины
пороговых циклов (ΔCt) относительно 1 дня инкубации:
ΔCt=|Ct (образец)-Ct (1 день)|,
где Ct – значение величины пороговых циклов.
68
На основе полученных значений ΔCt рассчитывали индекс реактивации
(ИР) на 7 и 14 дни инкубации для каждого образца, принимая значения ΔCt
активной культуры за 100% (табл).
На основе данных значений ИР на 7 и 14 дни инкубации была
построена гистограмма, представленная на рис 15.
Таблица
Функциональная активность препарата RpfB
Образец
Значение пороговых циклов
M. tuberculosis
для ДНК D29, ΔCt
Индекс реактивации (%)
H37Rv + фаг D29
7 день
14 день
7 день
14 день
ДК (классическая)
0
23,1
0
9
ДК (рифампицин)
1,6
23
18
10
ДК + RpfB
0,8
17,8
9
64
ДК + осветленный
5,4
14,5
61
98
8,8
14,3
100
100
лизат
Активная
культура
На основе рис. 15 можно сказать о наличии функциональной
активности полученного белка RpfB, ИР которой составляет 9% и 64% на 7 и
14 день инкубации, соответственно.
69
Способность к реактивации показана для осветленного лизата активно
растущей культуры, ИР которой составляет 61% и 98% на 7 и 14 день
инкубации, соответственно.
Показан низкий уровень способности к спонтанной реактивации для
дормантных клеток, полученных классическим и модифицированным
способом (ИР составляет менее 20% 7 и 14 день инкубации).
100
7 день
100 100
14 день
98
90
80
70
64
61
RI, %
60
50
40
30
18
20
9
10
10
9
0
0
АК
ДК 1
ДК 2
ДК + ОЛ
ДК + RpfB
Рисунок 15. Гистограмма значений индекса реактивации М. tuberculosis
на 7 и 14 дни инкубации
АК – активная культура, ДК 1 – дормантная культура, полученная
классическим способом, ДК 2 – дормантная культура, полученная инкубацией
с рифампицином, ДК+ОЛ – дормантная культура с добавлением осветленного
лизата активной культуры, ДК+RpfB – дормантная культура с добавлением
RpfB.
Дормантные клетки, полученные классическим и модифицированным
способом, продемонстрировали сравнимые результаты на 14 день инкубации.
70
Следовательно, предложенный модифицированный способ применим для
получения дормантной культуры М. tuberculosis.
3.7. Использование eGFP в качестве маркера экспрессии генов
микобактериофага D29
Микобактериофаг
инфицирующим
D29
широкий
является
спектр
литическим
хозяев,
бактериофагом,
который
включает
Mycobacterium tuberculosis, Mycolicibacterium smegmatis.
Конструирование микобактериофага D29, экспрессирующего rpfB
после заражения активно
делящихся
клеток
M. tuberculosis, будет
способствовать их точечной гибели, а также реанимации соседних
дормантных клеток белком RpfB. Согласно литературным данным был выбран
участок между областью генов 63 и 64 фага D29 (положение 41 427) с
предположительно высоким уровнем экспрессии [52]. Экспрессия в данной
области находится под контролем специфичного промотора Pleft, который
активен на протяжении всего инфекционного цикла фага D29.
Чтобы
оценить
возможность
встраивания
и
экспрессионную
активность данной области генома фага D29, был выбран ген eGFP (enhanced
green
fluorescent
protein).
При
экспрессии
eGFP
нарабатывается
соответствующий белок, который обладает высоким уровнем флуоресценции
в зеленом диапазоне при освещении его светом от синего до УФ диапазона.
Конструирование фага D29, экспрессирующего ген eGFP, дает возможность
получения флуоресцентной системы детекции, которую можно использовать
для диагностики активного туберкулеза.
В качестве вектора, необходимого для внесения гена eGFP в геном фага
D29, был выбран pSMT3-M (рис. 16), содержащий ориджины репликации
E. coli и M. smegmatis.
71
Рисунок 16. Генетическая карта pSMT3-M
На основе данного вектора была сконструирована рекомбинантная
плазмида
pSMT3-M_eGFP_63-64,
несущая
ген
eGFP,
нуклеотидная
последовательность которого была адаптирована для экспрессии в клетках
микобактерий. Непосредственно перед eGFP введён лидерный участок gp17,
кодирующий главный белок капсида. Ген eGFP ограничен с двух сторон
протяженными флангами, гомологичными геному фага D29 (рис. 17).
Экспрессия гена eGFP будет осуществляться в геноме фага с промотора Pleft,
который активен на протяжении всего инфекционного цикла фага D29. Для
предотвращения возможного токсичного действия фаговых генов вследствие
их экспрессии с промотора Plac плазмиды pSMT3-M, они были клонированы в
ориентации,
противоположной
направлению
транскрипции
с
Plac.
Правильность введения eGFP с правым и левым флангами была подтверждена
секвенированием.
Рисунок 17. Область генов 63 и 64 фага D29, содержащая ген eGFP
72
Электрофореграмма полученной плазмиды представлена на рис. 18.
Рисунок
18.
Электрофореграмма
рекомбинантной
плазмиды
pSMT3-
M_eGFP_63-64
1 – pSMT3-M_eGFP_63-64, М2 – маркер.
Методом
электропорации
клетки
M.
smegmatis
были
трансформированы плазмидой pSMT3-M_eGFP_63-64. Для этого были
подобраны условия проведения эффективной электропорации pSMT3M_eGFP_63-64 клеток M. smegmatis. Выявлено, что концентрация плазмидной
ДНК должна составлять около 300 нг/мкл. Электрокомпетентные клетки
M. smegmatis следует выращивать до ОД590=1.0 и выше, для электропорации
использовать 200 мкл клеток. Оптимальная концентрация гигромицина в
агаризованной среде для M. smegmatis составляет 75 мкг/мл, для E. coli – 100
мкг/мл.
Рекомбинантная
плазмида
pSMT3-M_eGFP_63-64
была
сконструирована таким образом, чтобы максимально снизить возможную
экспрессию как фаговых генов, так и eGFP в клетках M. smegmatis, несущих
данную плазмиду. Однако трансформанты демонстрировали видимый в
зеленом диапазоне уровень флуоресценции при освещении УФ светом.
Данный результат можно объяснить наличием слабых промоторов в
клонированном фрагменте генома фага D29.
73
В результате была получена рекомбинантная плазмида, содержащая
область генов 63 и 64 фага D29, между которыми всторен ген eGFP. Перед
геном eGFP встроен лидерный участок гена 17 главного белка капсида фага
D29.
3.8. Рекомбинация pSMT3-M_eGFP_63-64 с геномом фага D29 в клетках
M. smegmatis
Для проведения рекомбинации pSMT3-M_eGFP_63-64 с геномом фага
D29 было проведено инфицирование клеток M. smegmatis, несущих pSMT3M_eGFP_63-64, фагом D29, как показано в главе 2. В ходе работы была
подобрана
оптимальная
(OD590=10,0-12,0).
оптическая
Установлено,
что
плотность
для
клеток
успешного
M.
smegmatis
инфицирования
M. smegmatis фагом D29 необходимо добавлять в мягкий агар CaCl2 до
конечной концентрации 1-10 мМ.
74
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Белок
RpfB
предположительно
вносит
наибольший
вклад
в
реактивацию дормантных клеток М. tuberculosis. Исследование данного белка
обеспечивает возможность применения RpfB в диагностике, возможном
лечении латентного туберкулеза [15, 23, 53]. Функция трёх DUF-доменов
белка RpfB до сих пор неизвестна. Предыдущие исследования показали
наработку белка RpfB в клетках E. coli преимущественно в тельцах включения,
что затрудняет возможность его получения.
На первом этапе работы были подобраны условия получения препарата
белка RpfB в растворимой форме. Для этого последовательность rpfB была
клонирована в вектор pTSL, кодирующий на N-конце шаперон SlyD с His6меткой. Полученные гибридные белки были очищены на Ni•NTA-сефарозе,
гидролизованы TEV-протеазой для отщепление SlyD, что позволило получить
препарат полноразмерного белка RpfB. Аналогичным образом были получены
и очищены варианты белка RpfB с делециями по DUF-доменам.
Функциональную активность полученного препарата полноразмерного
белка RpfB оценивали по способности данного белка осуществлять
реактивацию дормантных клеток М. tuberculosis. Коллегами был разработан
метод определения реактивации М. tuberculosis с помощью литического
микобактериофага D29, инфицирующего исключительно активно растущие
клетки. Инфицирование клеток фагом D29 приводит к его размножению,
которое детектируется методом ПЦР «в реальном времени». Способность к
реактивации продемонстрирована для полученного препарата белка RpfB, а
также для осветленного лизата активно растущей культуры М. tuberculosis, что
согласуется с данными литературы [27, 35].
Участок между областью генов 63 и 64 фага D29 предположительно
обладает высоким уровнем экспрессии [52]. Чтобы оценить возможность
встраивания и экспрессионную активность данной области, был выбран ген
75
eGFP,
об
экспрессии
которого
можно
судить
по
флуоресценции
соответствующего белка. Сконструирована рекомбинантная плазмида pSMT3M_eGFP_63-64, кодирующая ген eGFP. Методом электропорации были
получены клетки M. smegmatis, несущие pSMT3-M_eGFP_63-64. Проведена
рекомбинация pSMT3-M_eGFP_63-64 с геномом фага D29 в клетках
M. smegmatis.
Для оценки эффективности рекомбинации предлагается в дальнейшем
использовать метод цитофлуориметрии, который продемонстрирует уровень
рекомбинантных фагов, экспрессирующих ген eGFP и облегчит отбор
рекомбинантных фагов. Конструирование фага D29, экспрессирующего ген
eGFP, дает возможность получения флуоресцентной системы детекции,
которую можно использовать для диагностики активного туберкулеза. В
дальнейшем планируется провести конструирование микобактериофага D29,
экспрессирующего ген rpfB после заражения активно делящихся клеток
M. tuberculosis, которое будет способствовать их точечной гибели, а также
реанимации соседних дормантных клеток белком RpfB.
В ходе работы были сделаны следующие выводы:
1. Получены конструкции для экспрессии химерного гена rpfB и его
вариантов с делецией двух или трех DUF-доменов, слитых на N-конце с
шапероном SlyD.
2. Получены препараты полноразмерного белка RpfB, а также его
вариантов с делециями в области DUF-доменов.
3. Продемонстрирована реактивация дормантных клеток М. tuberculosis
через 14 дней инкубации с полученным рекомбинантным белком RpfB.
4. Получена рекомбинантная плазмида, содержащая область генов 63 и 64
фага D29, между которыми всторен ген зеленого флуоресцентного белка
76
eGFP. Последовательность гена eGFP адаптирована для экспрессии в
клетках Mycobacterium tuberculosis; перед геном eGFP встроен
лидерный участок гена 17 главного белка капсида фага D29.
77
Список литературы
1. Allué-Guardia A., García J. I., Torrelles J. B. Evolution of Drug-Resistant
Mycobacterium tuberculosis Strains and Their Adaptation to the Human Lung
Environment // Frontiers in Microbiology. 2021. V. 12. P. 1–21.
2. Alnimr A. M. Dormancy models for Mycobacterium tuberculosis: A minireview
// Brazilian Journal of Microbiology. 2015. V. 46. P. 641–647.
3. Arroyo L. et al.. Multifunctional T cell response to DosR and Rpf antigens is
associated with protection in long-Term Mycobacterium tuberculosis-infected
individuals in Colombia // Clinical and Vaccine Immunology. 2016. V. 23. P. 813–
824.
4. Bansal-Mutalik R., Nikaido H. Mycobacterial outer membrane is a lipid bilayer
and the inner membrane is unusually rich in diacyl phosphatidylinositol
dimannosides // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United
States of America. 2014. V. 111. P. 4958–4963.
5. Barthe P. et al.. The structure of PknB extracellular PASTA domain from
Mycobacterium tuberculosis suggests a ligand-dependent kinase activation //
Structure. 2010. V. 18. P. 606–615.
6. Bateman A., Bycroft M. The structure of a LysM domain from E. coli membranebound lytic murein transglycosylase D (MltD) // Journal of molecular biology. 2000.
V. 4. P. 1113–1119.
7. Bateman A., Holden M. T., Yeats V. The G5 domain: a potential Nacetylglucosamine recognition domain involved in biofilm formation //
Bioinformatics. 2005. V. 8. P. 1301–1303.
8. Becker K., Sander P. Mycobacterium tuberculosis lipoproteins in virulence and
immunity – fighting with a double-edged sword // FEBS Letters. 2016. V. 21. P.
3800–3819.
9. Chang J. V. et al. Genes and Mycobacterium tuberculosis cholesterol metabolism
// Journal of bacteriology. 2009. V. 191. P. 5232–5239.
10. Cirillo J. D, Weisbrod T.R, Jacobs W.R. Efficient Electro-transformation of
Mycobacterium smegmatis // Bio-rad Laboratories Life Science Research. 2000. P.
1–4.
11. Coppola M. et al. Cell-Mediated Immune Responses to in vivo-Expressed and
Stage-Specific Mycobacterium tuberculosis Antigens in Latent and Active
Tuberculosis Across Different Age Groups // Frontiers in Immunology. 2020. V. 11.
P. 1–15.
78
12. Darwin K. H. Prokaryotic ubiquitin-like protein (Pup), proteasomes and
pathogenesis // Microbiology. 2009. V. 7. P. 485–491.
13. Классификация микроорганизмов - возбудителей инфекционных
заболеваний
человека,
простейших,
гельминтов
и
ядов
биологическогопроисхождения по группам патогенности. Dia-m, 2015. 15 с.
14. Drain P. K. et al. Incipient and Subclinical Tuberculosis: a Clinical Review of
Early Stages and Progression of Infection // Clinical microbiology reviews. 2018. №
4 (31).
15. Dusthackeer A. et al. Differential culturability of Mycobacterium tuberculosis
in culture-negative sputum of patients with pulmonary tuberculosis and in a
simulated model of dormancy // Frontiers in Microbiology. 2019. V. 10. P. 1–9.
16. Gengenbacher M. S., Kaufmann H. E. Mycobacterium tuberculosis: Success
through dormancy // FEMS Microbiology Reviews. 2012. V. 36. P. 514–532.
17. Gill W. P. et al. A replication clock for Mycobacterium tuberculosis // Nature
medicine. 2009. V. 15. P. 211–214.
18. Gressens S. B. et al. Pulmonary tuberculosis: Evaluation of current diagnostic
strategy // Medecine et Maladies Infectieuses. 2020. V. 51. P. 273–278.
19. Hett E. V. et al. A partner for the resuscitation-promoting factors of
Mycobacterium tuberculosis // Molecular Microbiology. 2007. № October (66). V.
658–668.
20. Hett E. V., Rubin E. J. Bacterial Growth and Cell Division: a Mycobacterial
Perspective // Microbiology and Molecular Biology Reviews. 2008. V. 72. P. 126–
156.
21. Hottenrott S. et al. The Escherichia coli SlyD Is a Metal Ion-regulated Peptidylprolyl cis/trans-Isomerase // Journal of Biological Chemistry. 1997. V. 272. P.
15697–15701.
22. Ignatov D. V. et al. Dormant non-culturable Mycobacterium tuberculosis retains
stable low-abundant mRNA // BMC Genomics. 2015. V. 16. P. 1–13.
23. Ivanyi J. et al. Advancing Immunotherapeutic Vaccine Strategies Against
Pulmonary Tuberculosis // Frontiers in Immunology. 2020. V. 11. P. 1–10.
24. Kaluarachchi H. et al. The Ni(II)-Binding Properties of the Metallochaperone
SlyD // Journal of the American Chemical Society. 2009. V. 131. P. 18489–18500.
25. Kana B. D. et al. The resuscitation-promoting factors of Mycobacterium
tuberculosis are required for virulence and resuscitation from dormancy but are
79
collectively dispensable for growth in vitro // Molecular Microbiology. 2008. V. 67.
P. 672–684.
26. Kim S. H., Jo K.W., Shim T. S. QuantiFERON-TB Gold PLUS versus
QuantiFERON- TB Gold In-Tube test for diagnosing tuberculosis infection // The
Korean journal of internal medicine. 2020. V. 35. P. 383–391.
27. Kolwijck E. et al. Early stationary phase culture supernatant accelerates growth
of sputum cultures collected after initiation of anti-tuberculosis treatment // Clinical
Microbiology and Infection. 2014. V. 20. P. 418–420.
28. Kus P., Gurcan M. N., Beamer G. Automatic detection of granuloma necrosis in
pulmonary tuberculosis using a two-phase algorithm: 2D-TB // Microorganisms.
2019. V. 7. P. 1–17.
29. Laemmli U. K. Cleavage of Structural Proteins during the Assembly of the Head
of Bacteriophage T4 // Nature. 1970. V. 227. P. 680–685.
30. Lavollay M. et al. The peptidoglycan of stationary-phase Mycobacterium
tuberculosis predominantly contains cross-links generated by L,D-transpeptidation
// Journal of Bacteriology. 2008. V. 190. P. 4360–4366.
31. Leistikow R. L. et al. The Mycobacterium tuberculosis DosR regulon assists in
metabolic homeostasis and enables rapid recovery from nonrespiring dormancy //
Journal of Bacteriology. 2010. V. 192. P. 1662–1670.
32. Loebel R. O., Shorr E., Richardson H. B. The Influence of Adverse Conditions
upon the Respiratory Metabolism and Growth of Human Tubercle Bacilli // Journal
of Bacteriology. 1933. V. 26. P. 167–200.
33. Lönnroth K. et al. Towards tuberculosis elimination: An action framework for
low-incidence countries // European Respiratory Journal. 2015. V. 45. P. 928–952.
34. Loon W. van et al. Use of resuscitation promoting factors to screen for
tuberculosis infection in household-exposed children in The Gambia // BMC
Infectious Diseases. 2020. V. 20. P. 469.
35. Loraine J. et al. Development of an In vitro Assay for Detection of Drug-Induced
Resuscitation-Promoting-Factor-Dependent Mycobacteria // Antimicrobial Agents
and Chemotherapy. 2016. V. 60. P. 6227–6233.
36. Mack U. et al. LTBI: latent tuberculosis infection or lasting immune responses
to M. tuberculosis? A TBNET consensus statement // European Respiratory
Journal. 2009. V. 33. P. 956–973.
37. Mahapatra S. et al. Unique structural features of the peptidoglycan of
Mycobacterium leprae // Journal of Bacteriology. 2008. № 2 (190). V. 655–661.
80
38. Maione V. et al. NMR Structure and Dynamics of the Resuscitation Promoting
Factor RpfC Catalytic Domain // PloS one. 2015. V. 10. P. 1014-1028.
39. Maitra A. et al. Cell wall peptidoglycan in Mycobacterium tuberculosis : An
Achilles’ heel for the TB-causing pathogen // FEMS Microbiology Reviews. 2019.
V. 43. P. 548–575.
40. Mangtani P. et al. Protection by BCG vaccine against tuberculosis: A systematic
review of randomized controlled trials // Clinical Infectious Diseases. 2014. V. 58.
P. 470–480.
41. Morán-Mendoza O. et al. Tuberculin skin test size and risk of tuberculosis
development: a large population-based study in contacts // Int J Tuberc Lung Dis.
2007. V. 11. P. 1014–1020.
42. Mukamolova G. V. et al. A family of autocrine growth factors in Mycobacterium
tuberculosis // Molecular Microbiology. 2002. V. 46. P. 623–635.
43. Mukamolova G. V. et al. The rpf gene of Micrococcus luteus encodes an
essential secreted growth factor // Molecular Microbiology. 2002. V. 46. P. 611–
621.
44. Mukamolova G. V et al. Adoption of the transiently non-culturable state — a
bacterial survival strategy? England:, 2003.V. 65–129.
45. Mulder V. et al. Tuberculin skin test reaction depends on type of purified protein
derivative: implications for cut-off values // The International Journal of
Tuberculosis and Lung Disease. 2019. V. 23. P. 1327–1334.
46. Nesbitt N. M. et al. A Thiolase of Mycobacterium tuberculosis Is Required for
Virulence and Production of Androstenedione and Androstadienedione from
Cholesterol // Infection and Immunity. 2010. V. 78. P. 275–282.
47. Nikitushkin V. D., Demina G. R., Kaprelyants A. S. Rpf proteins are the factors
of reactivation of the dormant forms of actinobacteria // Biochemistry (Moscow).
2016. V. 81. P. 1719–1734.
48. Pai M. et al. Gamma Interferon Release Assays for Detection of Mycobacterium
tuberculosis Infection // Clinical Microbiology Reviews. 2014. V. 27. P. 3–20.
49. Pai M., Nicol M. P., Boehme V. V. Tuberculosis Diagnostics: State of the Art
and Future Directions Washington. USA, 2017. V. 31. P. 361–378.
50. Pande T. et al. Use of chest radiography in the 22 highest tuberculosis burden
countries // European Respiratory Journal. 2015. V. 46. P. 1816–1819.
81
51. Pandey A. K., Sassetti V. M. Mycobacterial persistence requires the utilization
of host cholesterol // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2008. V.
105. P. 4376–4380.
52. Radrick T. N., Mavrich W. L. et al. Expression and evolutionary patterns of
mycobacteriophage D29 and its temperate close relatives // BMC Microbiology.
2017. V. 17. P. 1–15.
53. Raivio T. et al. Resuscitation of Dormant «Non-culturable» Mycobacterium
tuberculosis Is Characterized by Immediate Transcriptional Burst // Frontiers in
Cellular and Infection Microbiology. 2019. V. 1. P. 272.
54. Reece S. T., Kaufmann S. H. E. Floating between the poles of pathology and
protection: can we pin down the granuloma in tuberculosis? // Current opinion in
microbiology. 2012. V. 15. P. 63–70.
55. Ruggiero A. et al. Expression, purification, crystallization and preliminary Xray crystallographic analysis of a resuscitation-promoting factor from
Mycobacterium tuberculosis // Acta Crystallographica Section F Structural Biology
and Crystallization Communications. 2007. V. 63. P. 870–873.
56. Ruggiero A. et al. Crystal Structure of the Resuscitation-Promoting Factor
ΔDUFRpfB from M. tuberculosis // Journal of Molecular Biology. 2009. V. 385. P.
153–162.
57. Ruggiero A. et al. Expression, Purification, Crystallization and Preliminary XRay Crystallographic Analysis of the Resuscitation Promoting Factor Interacting
Protein RipA from M. tuberculosis // Protein & Peptide Letters. 2010. V. 17. P. 70–
73.
58. Ruggiero A. et al. The structure of Resuscitation promoting factor B from M.
tuberculosis reveals unexpected ubiquitin-like domains // Biochimica et Biophysica
Acta. 2016. V. 1860. P. 445–451.
59. Ruggiero A. et al. Structure and dynamics of the multi-domain resuscitation
promoting factor RpfB from Mycobacterium tuberculosis // Journal of Biomolecular
Structure and Dynamics. 2017. V. 35. P. 1322–1330.
60. Russell D. G. et al. Macrophage dynamics. 2010. V. 9. P. 594–600.
61. Sable S. B., Posey J. E., Scriba T. J. Tuberculosis Vaccine Development:
Progress in Clinical Evaluation // Clinical Microbiology Reviews. 2019. V. 33. P. 1–
30.
62. Sambrook J., Russel D. W. Molecular Cloning: A Laboratory Manual // Cold
Spring Harboc Laboratory Press. 2001. V. 2231. P. 3.
82
63. Shah I. M., Dworkin J. Induction and regulation of a secreted peptidoglycan
hydrolase by a membrane Ser/Thr kinase that detects muropeptides // Molecular
Microbiology. 2010. V. 75. P. 1232–1243.
64. Shleeva M. et al. Formation of «non-culturable» cells of Mycobacterium
smegmatis in stationary phase in response to growth under suboptimal conditions
and their Rpf-mediated resuscitation // Microbiology. 2004. V. 150. P. 1687–1697.
65. Shleeva M. et al. Cyclic Amp-Dependent Resuscitation of Dormant
Mycobacteria by Exogenous Free Fatty Acids // PloS one. 2013. V. 8. P. 82–91.
66. Sia J. K., Rengarajan J. Immunology of Mycobacterium tuberculosis Infections
// ASM Press. 2019. V. 12. P. 1056–1086.
67. Taylor N. M. I. et al. Structure of the T4 baseplate and its function in triggering
sheath contraction // Nature. 2016. V. 533. P. 346–352.
68. Thermo Scientific NanoDrop 2000 / 2000c Spectrophotometer / Thermo
Scientific, 2000. P. 97
69. Vincent A. T. et al. The mycobacterial cell envelope: A relict from the past or
the result of recent evolution? // Microbiology. 2018. V. 9. P. 1–9.
70. Vollmer W. et al. Bacterial peptidoglycan (murein) hydrolases // FEMS
Microbiology Reviews. 2008. V. 32. P. 259–286.
71. Wayne L. G., Hayes L. G. An in vitro model for sequential study of shiftdown
of Mycobacterium tuberculosis through two stages of nonreplicating persistence //
Infection and Immunity. 1996. V. 64. P. 2062–2069.
72. World Health Organization The use of liquid medium for culture and DST //
WHO, 2007. V. 1. P. 14.
73. Zellweger J. P. et al. The diagnosis of latent tuberculosis infection (Ltbi):
Currently available tests, future developments, and perspectives to eliminate
tuberculosis (tb) // Medicina del Lavoro. 2020. V. 111. P. 170–183.
74. Воинов Н. А., Волова V. Г. Полимеразная цепная реакция. Общая схема
молекулярного
клонирования.
[Электронный
ресурс].
URL:
https://medbe.ru/materials/problemy-i-metody-biotekhnologii/polimeraznayatsepnaya-reaktsiya-obshchaya-skhema-molekulyarnogo-klonirovaniya/.
75. Касатова Е.С., Луковникова Л.Б. и др. Пособие к практическим занятиям
по молекулярной биологии. ННГУ, 2015. 19 с.
76. Литусов Н. В. Микобактерии Туберкулеза. Иллюстрированное Учебное
Пособие // ГБОУ ВПО УГУМУ, 2015. 52 с.
83
77. Нельсон Д. К. М. Основы биохимии Ленинджера, том 2 // БИНОМ, 2014.
636 с.
78. Новиков В.В., Добротина Н.А. Б. А. А. Иммунология: Учебное пособие.
ННГУ, 2004. 212 с.
79. Перенков А.Д., Новиков Д.В. Ф. с. Г. и др. Пособие к практическим
занятиям по молекулярной биологии. ННГУ, 2015. 43 с.
80. Ребриков Д. В., Саматов Г. А., Трофимов Д. Ю. ПЦР «в реальном времени».
М, 2009. 223 с.
81. Стручкова И. В., Кальясова Е. А. Теоретические и практические основы
проведения электрофореза белков в полиакриламидном геле. ННГУ, 2012. 60
с.
82. Черешнев В. А., Шмагель К. В. Иммунология. М.: Издательский Дом
«МАГИСТР-ПРЕСС», 2013. 448 с.
83. Инструкция по применению прибора для электропорации MicroPulser //
BIO-RAD. 2000. 31 с.
84. Инструкция по применению Taq DNA Polymerase (recombinant), UK, 2011.
4 c.
85. Инструкция по применению KOD Hot Start DNA Polymerase 2011. 8 c.
86. Инструкция по применению T4 DNA Ligase 2011. 2 c.
87. Инструкция по применению коммерческого набора QIAquick Spin
Handbook // Qiagen. 2015. 40 c.
88. QIAprep Miniprep Handbook // Qiagen. 2015. 44 c.
89. Инструкция по применению Coomassie Plus (Bradford) // Thermo scientifiс.
2017. 7 c.
Отзывы:
Авторизуйтесь, чтобы оставить отзыв