Mechanisms of Persister Cell Formation in Salmonella enterica subsp. enterica serovar Typhimurium

Abstract

Persister cells are drug-tolerant bacteria that can survive lethal antibiotic exposure despite lacking genetic resistance mechanisms. Various pathways are involved in the formation of persisters, including the energy balance of the bacteria.To test the involvement of ATP in the formation of persister cells after treatment with antibiotics, the ATP-synthase was deleted in Salmonella Typhimurium. However, the resulting reduced ATP concentration did not increase the tolerance of the mutant, on the contrary, treatment with ciprofloxacin, a fluoroquinolone, resulted in fewer persistent cells compared to the corresponding wild type. Furthermore, the involvement of prophages in terms of persister cell formation of Salmonella Typhimurium was investigated. Deletion of the endogenous prophages, designated Gifsy-1, Gifsy-2, Gifsy-3, and ST63B, resulted in slowed initial killing and increased formation of persistent cells after the bacteria were exposed to ciprofloxacin. In particular, Gifsy-1 and the prophage-mediated lysis process were largely responsible for the reduced formation of persister cells in the prophage-carrying wild type.

Persisterzellen sind Antibiotika-tolerante Bakterien, die eine Behandlung mit Antibiotika, trotz fehlender Resistenzmechanismen, überleben. Verschiedene Mechanismen wurden bis heute beschrieben, wie Persisterzellen sich der tödlichen Wirkung von Antibakteriziden wieder setzen können. Unter anderen spielen die Oxidative Stress-, SOS-, und stringente Antwort eine wichtige Rolle sowie der Energiehaushalt der Bakterien zum Zeitpunkt der Behandlung mit Antibiotika. Um die Wichtigkeit von ATP bezüglich der Persisterzellbildung zu untersuchen, wurde in den Gramm-negativen Bakterium Salmonella Typhimurium, die ATP-Synthase deletiert, die signifikant zur Bildung von ATP beiträgt. Die Deletion des atp Operons führt zur einer verringerten ATP-Konzentration, jedoch nicht, wie zuvor berichtet, zur mehr Persisterzellen nach Behandlung mit dem Fluoroquinolon Ciprofloxacin. Weitere Untersuchungen zeigten, dass die Deletion der ATP-Synthase zur einer erhöhten Menge an NADH führt. Das wiederrum stimuliert die respiratorische Aktivität und führt zur einer erhöhten Bildung von reaktiven Sauerstoffradikalen, die die Empfindlichkeit der Mutante gegenüber Ciprofloxacin verstärkt. Ein weiterer Bestandteil dieses Projektes war, die Beteiligung von endogenen Prophagen bezüglich der Persisterzellbildung zu untersuchen. Salmonella Typhimurium verfügt über ein diverses Repertoir an Prophagen, das unter anderem Fels-1, Fels-2, Gifsy-1, Gifsy-2, Gifsy-3 und ST64B einschließt. Um den Effekt der Prophagen zu studieren, wurden Gifsy-1, Gifsy-2, Gifsy-3 und ST64B aus dem Chromosomen deletiert. Die anschließende Behandlung mit Ciprofloxacin führte zu einer verlangsamten Abtötung des phagenfreien Stammes sowie zur mehr Persisterzellen. Weitere Untersuchungen zeigten, dass vor allem Gifsy-1 durch Ciprofloxacin induziert wird und zur Lyse des Wirtes führt. Die Antibiotika-induzierte Lyse durch die Prophagen reduziert daher die Persisterzellbildung in dem Wildtyp und macht ihm empfindlicher gegenüber DNA-schädigten Antibakteriziden.