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Deciphering the Antitoxin-Regulated Bacterial Stress Response via Single-Cell Analysis

抗毒素 细菌 生物 大肠杆菌 细菌生长 环境压力 微生物学 毒素 生物化学 遗传学 生态学 基因
作者
Lina Wu,Miaomiao Zhang,Yu Song,Minfang Deng,Shengbin He,Liuqin Su,Changmin Yu,Thomas K. Wood,Xiaomei Yan
出处
期刊:ACS Chemical Biology [American Chemical Society]
卷期号:14 (12): 2859-2866 被引量:5
标识
DOI:10.1021/acschembio.9b00721
摘要

Bacterial toxin–antitoxin (TA) systems, which are diverse and widespread among prokaryotes, are responsible for tolerance to drugs and environmental stresses. However, the low abundance of toxin and antitoxin proteins renders their quantitative measurement in single bacteria challenging. Employing a laboratory-built nano-flow cytometer (nFCM) to monitor a tetracysteine (TC)-tagged TA system labeled with the biarsenical dye FlAsH, we here report the development of a sensitive method that enables the detection of basal-level expression of antitoxin. Using the Escherichia coli MqsR/MqsA as a model TA system, we reveal for the first time that under its native promoter and in the absence of environmental stress, there exist two populations of bacteria with high or low levels of antitoxin MqsA. Under environmental stress, such as bile acid stress, heat shock, and amino acid starvation, the two populations of bacteria responded differently in terms of MqsA degradation and production. Subsequently, resumed production of MqsA after amino acid stress was observed for the first time. Taking advantage of the multiparameter capability of nFCM, bacterial growth rate and MqsA production were analyzed simultaneously. We found that under environmental stress, the response of bacterial growth was consistent with MqsA production but with an approximate 60 min lag. Overall, the results of the present study indicate that stochastic elevation of MqsA level facilitates bacterial survival, and the two populations with distinct phenotypes empower bacteria to deal with fluctuating environments. This analytical method will help researchers gain deeper insight into the heterogeneity and fundamental role of TA systems.

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