När bakterier stressas berättar RNA och proteiner olika historier

När bakterier infekterar människor utsätts de för snabbt skiftande och ofta stressande miljöer i kroppen. För att förstå hur bakterier reagerar mäter forskare ofta nivåerna av budbärar-RNA (mRNA), molekyler som förmedlar genetisk information som kan användas för att tillverka proteiner. Men även om RNA ger viktig information är det proteinerna som utför många av cellens funktioner, och deras nivåer påverkas av flera processer efter att RNA har bildats.

Forskare har länge vetat att mängden mRNA inte alltid speglar mängden protein i en cell. Däremot har det varit oklart hur sambandet påverkas av olika typer av stress och om mönstret ser likadant ut hos olika bakteriearter.

I den nya studien, som publiceras i den vetenskapliga tidskriften PNAS, undersökte forskarna tre mänskliga sjukdomsframkallande bakterier: Salmonella enterica Typhimurium, Yersinia pseudotuberculosis och Staphylococcus aureus. Genom att utsätta bakterierna för tio olika förhållanden som liknar dem de möter under en infektion studerade forskarna hur väl nivåerna av RNA och protein överensstämde.

Cellerna kan ändra sina planer snabbare än de kan bygga det som behövs för att genomföra dem

Doktorand Sena Gizem Süer vid Institutionen för molekylärbiologi och IceLab arbetar med bakterieodlingar i laboratoriet.

BildGabrielle Beans

Resultaten visade att RNA- och proteinnivåer oftast följde samma övergripande mönster. Men under de stressförhållanden som orsakade störst förändringar i bakteriernas genuttryck var överensstämmelsen betydligt sämre. Med andra ord gav RNA i vissa av de mest utmanande situationerna bara en begränsad bild av vad som faktiskt pågick inne i cellen.

– När bakterier får en plötslig varningssignal från sin omgivning börjar de omedelbart förändra de instruktioner som styr vad cellen ska göra härnäst. Cellerna kan ändra sina planer snabbare än de kan bygga det som behövs för att genomföra dem, säger Sena Gizem Süer, doktorand vid Institutionen för molekylärbiologi vid Umeå universitet och delad förstaförfattare till studien.

En typ av stress utmärkte sig särskilt: osmotisk stress. Den uppstår när förändringar i koncentrationen av lösta ämnen runt en cell rubbar dess vattenbalans. Sådana miljöer kan bakterier möta i kroppen, exempelvis i tarmen. Gener som aktiverades av osmotisk stress visade genomgående en svag koppling mellan RNA- och proteinnivåer hos samtliga tre bakteriearter.

För att förstå varför kombinerade forskarna datorbaserade analyser med laboratorieexperiment. Analyserna pekade mot förändringar i translationen, den process där cellens ribosomer läser av mRNA och bygger proteiner.

Experimenten bekräftade att bakterierna fortsatte att producera proteiner under osmotisk stress, men i betydligt lägre omfattning hos både Yersinia och Salmonella.

Forskarna Kemal Avican, Sena Gizem Süer och Jérôme Arnoux utanför den tvärvetenskapliga forskningsmiljön IceLab vid Umeå universitet.

BildGabrielle Beans

– Att resultaten från de datorbaserade analyserna stämde överens med laboratorieexperimenten stärkte vår tilltro till resultaten, säger Jérôme Arnoux, postdoktor vid Institutionen för molekylärbiologi och delad förstaförfattare till studien.

Forskarna vet ännu inte exakt varför produktionen av proteiner går långsammare under osmotisk stress. I studien diskuteras flera möjliga förklaringar, bland annat förändringar i bakteriernas cellhölje och i transporten av molekyler in i cellen. Mer forskning krävs dock för att klarlägga den underliggande mekanismen.

Det långsiktiga målet är att kunna förutsäga vilka proteiner bakterier producerar under en infektion

– Många forskare använder mRNA som en indikator på vad som händer på proteinnivå. Våra resultat visar att vi behöver förstå osäkerheterna i det sambandet bättre, särskilt när vi studerar sjukdomsframkallande bakterier under stress och infektion, säger Kemal Avican, forskare vid Institutionen för molekylärbiologi vid Umeå universitet och studiens seniora författare.

Forskargruppen arbetar nu vidare med att undersöka fler typer av stress som liknar de miljöer bakterier möter i kroppen under en infektion.

– Det långsiktiga målet är att kunna förutsäga vilka proteiner bakterier producerar under en infektion. Det kan vi inte göra i dag med enbart proteomik, säger Kemal Avican.

Fakta: Vad är proteomik?

Proteomik är studiet av alla proteiner som finns i en cell eller organism vid en viss tidpunkt. Eftersom proteiner utför många av cellens viktigaste funktioner ger proteomik en bild av vad som faktiskt händer i cellen. I den här studien jämförde forskarna nivåer av RNA och proteiner för att undersöka hur väl RNA kan förutsäga vilka proteiner bakterier producerar under olika typer av stress. Resultaten visar att RNA inte alltid ger en fullständig bild av vad som sker på proteinnivå.

Bild: Schematisk illustration av balansen mellan mRNA- och proteinproduktion under normala förhållanden (vänster sida) och under stressförhållanden (höger sida).