Stresul bacterian: ARN-ul și proteinele nu spun aceeași poveste
În timpul infecției, bacteriile se confruntă cu medii stresante care se schimbă rapid în interiorul organismului. Pentru a înțelege modul în care se adaptează, cercetătorii măsoară adesea ARN-ul mesager (ARNm), care transportă informația de la gene ce poate fi tradusă în proteine. Deși nivelurile de ARNm sunt utilizate pe scară largă pentru a monitoriza răspunsurile bacteriene, proteinele îndeplinesc cea mai mare parte a activității din interiorul celulei și sunt influențate de procese care au loc după producerea ARN-ului.
Oamenii de știință știu de mult timp că nivelurile de ARNm nu prezic perfect abundența proteinelor. Ceea ce a rămas neclar este modul în care această relație se schimbă sub diferite forme de stres și la diferiți agenți patogeni bacterieni.
Într-un nou studiu publicat în Proceedings of the National Academy of Sciences, cercetătorii au comparat trei agenți patogeni umani: Salmonella enterica Typhimurium, Yersinia pseudotuberculosis și Staphylococcus aureus. Expunându-i la 10 condiții relevante pentru infecție, au investigat dacă relația dintre nivelurile de ARNm și cele de proteine este specifică speciei sau este împărtășită în mod larg.
Stresul slăbește concordanța dintre ARN și proteine
La toate cele trei specii, nivelurile de ARNm și de proteine au urmat în general aceleași tendințe. Cu toate acestea, stresurile care au declanșat cele mai mari schimbări în expresia genelor și a proteinelor au prezentat și cea mai slabă concordanță între nivelurile de ARN și cele de proteine. Cu alte cuvinte, în unele dintre cele mai dificile condiții, ARN-ul a oferit o imagine mai puțin completă a ceea ce se întâmpla în interiorul celulei.
„Când bacteriile primesc un avertisment brusc din mediul lor, ele încep imediat să schimbe mesajele din interiorul celulei despre ceea ce trebuie să se întâmple în continuare”, spune Sena Gizem Süer, doctorandă în cadrul Departamentului de Biologie Moleculară și membră a școlii de cercetare Stress Response Modeling at IceLab de la Universitatea Umeå și coautoare principală a studiului. „Celulele își pot schimba planurile mai repede decât pot construi lucrurile necesare pentru a le pune în aplicare.”
O condiție de stres s-a remarcat în mod deosebit: stresul osmotic, care apare atunci când schimbările în concentrația de substanțe dizolvate din jurul unei celule îi perturbă echilibrul apei. Agenții patogeni pot întâlni astfel de medii în organism, de exemplu, în lumenul intestinal. Genele care răspund în mod specific la stresul osmotic au arătat o potrivire deosebit de slabă între nivelurile de ARNm și cele de proteine la toate cele trei specii bacteriene.
Traducerea încetinește sub stres osmotic
Pentru a investiga de ce, cercetătorii au combinat analize computaționale cu experimente de laborator. Analizele lor au indicat o traducere alterată, procesul în care ribozomii citesc ARNm și construiesc proteine, sub stres osmotic. Experimentele au confirmat că bacteriile au continuat să traducă ARNm în proteine în timpul stresului osmotic, dar la niveluri semnificativ reduse atât la Yersinia, cât și la Salmonella.
„Această concordanță între abordările computaționale și cele experimentale ne-a întărit încrederea în constatări”, spune Jérôme Arnoux, cercetător postdoctoral interdisciplinar la Integrated Science Lab (IceLab) și la Departamentul de Biologie Moleculară și coautor principal al studiului.
Motivul exact pentru care traducerea încetinește rămâne neclar. Cercetătorii discută mai multe explicații posibile, inclusiv schimbări care afectează anvelopa celulară și transportul moleculelor în celulă, dar vor fi necesare studii suplimentare pentru a identifica mecanismul de bază.
Predictibilitatea proteinelor în timpul infecției
„Cercetătorii folosesc adesea ARNm ca un indicator pentru ceea ce se întâmplă la nivel de proteine”, spune Kemal Avican, cercetător în cadrul Departamentului de Biologie Moleculară și autor principal al studiului. „Rezultatele noastre arată că trebuie să înțelegem mai bine incertitudinea din această relație, în special atunci când studiem agenții patogeni bacterieni sub stres și în timpul infecției.”
Cercetătorii extind acum lucrarea la condiții suplimentare de stres care seamănă cu mediile pe care bacteriile le întâlnesc în timpul infecției.
„Scopul final este de a putea prezice nivelurile de proteine bacteriene în timpul infecției. Acesta este ceva ce nu putem face în prezent folosind doar proteomica”, spune Avican.
