Les stimuli mécaniques activent l'expression des gènes via une voie de détection du stress de l'enveloppe cellulaire

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 13979 (2023) Citer cet article

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Les mécanismes mécanosensibles sont souvent utilisés pour détecter les dommages causés à la structure tissulaire, stimulant ainsi la synthèse et la réparation de la matrice. Bien que ce type de processus mécanorégulateur soit bien reconnu dans les systèmes eucaryotes, on ne sait pas si un tel processus se produit chez les bactéries. Chez Vibrio cholerae, les dommages causés par les antibiotiques à la paroi cellulaire porteuse favorisent une signalisation accrue par le système à deux composants VxrAB, qui stimule la synthèse de la paroi cellulaire. Nous montrons ici que les modifications du stress mécanique au sein de l’enveloppe cellulaire sont suffisantes pour stimuler la signalisation VxrAB en l’absence d’antibiotiques. Nous avons appliqué des forces mécaniques à des bactéries individuelles en utilisant trois modalités de chargement distinctes : le chargement par extrusion dans un dispositif microfluidique, la compression directe et la pression hydrostatique. Dans tous les cas, la signalisation VxrAB, comme l'indique un rapporteur de protéine fluorescente, a été augmentée dans les cellules soumises à des charges mécaniques plus importantes, de sorte que diverses formes de stimuli mécaniques activent la signalisation VxrAB. La réduction de la rigidité de l'enveloppe cellulaire après l'élimination de l'endopeptidase ShyA a entraîné une forte augmentation de la déformation de l'enveloppe cellulaire et une réponse considérablement accrue de VxrAB, renforçant ainsi la réactivité de VxrAB. Nos résultats démontrent un système de régulation génique mécanosensible chez les bactéries et suggèrent que les signaux mécaniques pourraient contribuer à la régulation de l'homéostasie de la paroi cellulaire.

Les forces mécaniques sont reconnues depuis longtemps comme des contributeurs clés à la croissance et au fonctionnement des organismes. Dans les systèmes mammifères, les forces mécaniques régulent une grande variété de processus, notamment la différenciation cellulaire au cours du développement1,2, l’initiation et la progression de la maladie3 et l’homéostasie tissulaire4. Dans les tissus et les organes ayant des fonctions porteuses, les forces mécaniques agissent souvent comme le signal principal qui déclenche le remodelage et la réparation des tissus, permettant ainsi aux tissus de s'adapter aux défis mécaniques de l'environnement et de revenir rapidement à la charge. Le remodelage tissulaire maintient ainsi l'homéostasie de la fonction mécanique en équilibrant l'élimination des tissus endommagés avec la synthèse tissulaire. Les structures porteuses, notamment les os5, les vaisseaux sanguins6 et le cytosquelette végétal7,8, utilisent des mécanismes mécanosensibles pour maintenir leur fonction mécanique.

La plupart des études de mécanobiologie se concentrent sur les systèmes eucaryotes9, bien que des preuves récentes aient souligné l'importance des forces mécaniques chez les procaryotes. Chez les bactéries, les appendices extracellulaires, notamment les flagelles et les pili de type IV, s'étendent du corps cellulaire pour détecter et répondre aux signaux mécaniques de l'environnement. L’assemblage et le démontage de l’unité motrice flagellaire répondent aux augmentations et diminutions de la charge mécanique externe10,11. L'inhibition physique de la rotation flagellaire par contact avec une surface génère des forces de réaction au sein du moteur moléculaire, qui stimulent l'adhésion de la surface et la formation de biofilm12,13. Les pili de type IV sont des fibres motorisées qui s'étendent et se rétractent pour interagir avec l'environnement. De plus, la mécanodétection par les pili de type IV favorise la formation de biofilm14 et la libération de facteurs de virulence15, et guide la motilité après des collisions16.

L’enveloppe cellulaire est le principal élément porteur des bactéries et est également sensible aux forces mécaniques. Les canaux ioniques activés par l'étirement dans la membrane cellulaire répondent rapidement aux changements d'osmolarité en s'ouvrant en raison de l'étirement de la membrane, entraînant une survie accrue après un choc hypo-osmotique17. Le stress et les contraintes mécaniques au sein de l'enveloppe cellulaire affectent également l'assemblage des complexes d'efflux trans-enveloppe ; par exemple, l'assemblage et le fonctionnement de la pompe d'efflux multicomposant trans-enveloppe CusCBA sont altérés par l'augmentation de la contrainte de cisaillement octaédrique dans l'enveloppe cellulaire . Le stress mécanique à l'intérieur de l'enveloppe cellulaire affecte également les emplacements d'insertion d'une nouvelle paroi cellulaire chez les bactéries soumises à la flexion, avec de plus grandes quantités de paroi cellulaire insérées dans les régions de plus grande contrainte de traction19,20. Bien que ces mécanismes mécanosensibles au sein de l’enveloppe cellulaire soient bien reconnus, aucun des mécanismes identifiés à ce jour n’a démontré pouvoir réguler l’expression des gènes liée au remodelage de la paroi cellulaire, une composante essentielle de l’enveloppe cellulaire. Il a été émis l'hypothèse que les systèmes de régulation génique actuellement associés à d'autres formes de stress cellulaire pourraient également être mécanosensibles21 et un rapport récent suggère que le confinement améliore la signalisation Rcs et la résistance ultérieure au bactériophage chez E. coli22. Si des mécanismes mécanosensibles sont impliqués dans le remodelage et l'homéostasie de l'enveloppe cellulaire, on s'attendrait à ce que le stress et la contrainte mécaniques régulent la synthèse des composants de l'enveloppe cellulaire.

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