ПРИКЛАДНАЯ БИОХИМИЯ И МИКРОБИОЛОГИЯ, 2013, том 49, № 4, с. 333-344
УДК 577.112:579.861.043:535.31
АНТИСТРЕССОВОЕ ПЕРЕКРЕСТНОЕ ДЕЙСТВИЕ ВНЕКЛЕТОЧНЫХ МЕТАБОЛИТОВ БАКТЕРИЙ, АРХЕЙ И ДРОЖЖЕЙ (ОБЗОР)
© 2013 г. Л. И. Воробьёва*, Е. Ю. Ходжаев*, Т. М. Новикова**, Е. М. Чудинова***
*Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Биологический факультет, Москва, 119899 **Институт физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского МГУ, Москва, 119899 ***Институт белка РАН, г. Пущино, 142290 е-таП: nvvorobjeva@mail.ru Поступила в редакцию 12.12.2012 г.
В обзоре рассмотрены примеры специфических и глобальных ответов микроорганизмов и особенности стрессовых ответов с участием внеклеточных метаболитов сигнального действия. Обобщена информация о защитном и реактивирующем действии активных экзометаболитов представителей доменов бактерий, архей и эукариот и показаны междоменные перекрестные стрессовые ответы.
Б01: 10.7868/80555109913040144
Ответ микроорганизмов на стресс вызывает большой интерес, поскольку их устойчивость к стрессам создает серьезные проблемы в антимикробной терапии и биотехнологии. Изучение и понимание стрессовых ответов прокариот относится к важнейшим аспектам фундаментальной биологии. Стресс — это любые изменения в геноме, протеоме или в окружающей среде, которые приводят к снижению скорости роста или способности к выживанию организма.
Стресс испытывают все формы жизни, если условия, в которых они обычно существуют, резко изменяются. Стрессовые ответы имеют особое значение для микроорганизмов, которые живут в изменяющейся окружающей среде, где происходят такие флуктуации, как суточные и сезонные изменения температуры, рН, осмотического давления и другие факторы. Стресс для обитателей водной среды и почв вызывают отсутствие пищи и дефицит таких элементов, как азот, фосфор и (или) железо.
Микроорганизмы располагают рядом адаптивных механизмов, обеспечивающих их существование в изменяющихся и зачастую стрессорных условиях окружающей среды. Помимо "классических" стрессорных ответов, были описаны механизмы, обеспечивающие генотипическое и (или) фенотипическое разнообразие микробных популяций, увеличивая шансы на выживание последних. Механизмы, основанные на стресс-индуцированном (адаптивный) мутагенезе известны у про- и эу-кариот. Известен феномен "генетической буфер-ности", проявляющийся в том, что возникшие под действием стрессов изменения в геноме зачастую фенотипически не проявляются и, следова-
тельно, не попадают под действие естественного отбора. Однако, если стрессорное воздействие столь сильно, что преодолевает "буферные" возможности организма, то доселе скрытая генетическая вариабельность становится видимой и доступной для факторов отбора [1]. Природа бережлива и полезные приобретения сохраняет в эволюции. Реакция на стрессы у самых древних обитателей Земли и у высших эукариот имеет большое сходство в отношении индукции классического механизма через образование внутриклеточных сигнальных (сенсорных) молекул, часто в ответ на повреждения молекул ДНК. Но микроорганизмы, обитающие в постоянно изменяющихся условиях окружающей среды, обладают дополнительными средствами антистрессовой защиты с использованием внеклеточных метаболитов, которые защищают организмы от "привычных" и "незапланированных" стрессов.
Специфические глобальные ответы на стресс.
Одна стратегия стрессовых ответов направлена на нейтрализацию и (или) избежание стрессового удара. Такие ответы уникальны для каждого стресса. Так, белки, необходимые бактериям для спасения от окислительного стресса, иные, чем белки, требующиеся для нейтрализации стресса от голодания. Стрессовые ответы такого типа называют специфическими [2]. К ним относят голо-довый, окислительный, кислотный стрессы. Специфический ответ возникает при слабых стрес-сорных воздействиях.
Если воздействия стресса не удается избежать, то это может приводить к повреждениям макромолекул (ДНК, белки, клеточные покровы), поэтому существует вторая стратегия, направленная
на предотвращение и репарацию повреждений клетки, что делает ее устойчивой не только к данному стрессу, но и к другим. Она называется глобальным стрессовым ответом [1, 2]. Глобальные стрессовые ответы возникают при летальных воздействиях. В процессе репарации белков участвуют белки-шапероны, отвечающие за правильную укладку синтезирующихся полипептидов и восстановление нативной конформации денатурированных белков. Ряд ферметов, индуцируемых стрессами, участвуют в репарации ДНК.
Основной механизм репарации ДНК, 808-от-вет, активируется разнообразными стрессами: облучение, голодание, окисление, воздействие антибиотиков и некоторые другие.
Покровы клеток защищает фермент Э-ала-нин-карбоксипептидаза, действие которой направлено на увеличение числа поперечных мостиков в пептидогликане и на продуктырехА-генов, которые защищают клеточные мембраны, усиливая синтез трегалозы. При летальных стрессах реализуются глобальные стрессовые ответы, которые происходят с включением коровых Рех-белков независимо от природы стресса, поэтому столкновение с определенным стрессорным фактором придает организму устойчивость к другим воздействиям. При адаптивных дозах неродственных стрессов клетки становятся устойчивыми к летальным дозам, что было показано в убедительных экспериментах Р. Роубари и соавт. [3, 4].
Переключение экспрессии клеточных генов на синтез характерного для стрессовых ситуаций белкового профиля включает ряд факторов: 1) 8-факто-ры (маленькие белки, которые связываются с РНК-полимеразой, коровым ферментом, и определяют промотор, узнающий холофермент), 2) дополнительные регуляторные молекулы (сАМР, ррОрр), 3) химические изменения определенных белков. Важную роль в стрессовых ответах играют 870, 88, 832 , 854. Их холоэнзимы узнают соответствующие промоторы. Например, Е88 контролирует 140 ко-ровых генов, индуцированных стрессами, под контролем Е832 находятся гены теплового шока и "голодовые" гены, 870 функционирует главным образом в экспоненциальной фазе роста и при специфических стрессах. Стрессовые гены, которые транскрибирует Е870, имеют слабые промоторы [2]. Поэтому транскрипция этих генов зависит от доступности дополнительных транскрипционных факторов, а именно сАМР. Другие молекулы с регуляторной функцией, ррОрр, оказывают положительное влияние на транскрипцию стрессовых генов.
Существует общее представление о "стрессо-сомах", которые служат трансдуцирующими узлами, интегрирующими множественные стрес-сорные сигналы. В частности, была реконструирована и изучена молекулярная структура стрессосом
Bacillus subtilis. Оказалось, что они состоят из вирусоподобного капсидного стержня, снабженного сенсорными тяжами [5]. Было высказано предположение, что отдельные тяжи отвечают на различные сигналы, которые аккумулируются высококонсервативными доменами стержня [5]. При этом, эффективность стрессорного ответа, по-видимому, зависит от мощности физико-химического удара, испытанного клеткой. Стрессо-сомы были обнаружены во многих микробных филогенетических таксонах (филах, греч. phyle — племя), включая представителей Methanomicro-biales, Proteobacteria, Actinobacteria, Cyanobacte-ria, Bacteriodes и Deinococcus.
Механизмы стрессовых ответов связаны с химическим изменением белков при работе двухком-понентной системы сигнальной трансдукции. Первый компонент — гистидинпротеинкиназа (ХПК), второй — респондирующий регулятор (РР). В ответ на специфический стимул стабилизируется фосфорилированная форма сенсорной киназы. Та, в свою очередь, фосфорилирует РР. Фосфори-лированная форма РР активирует транскрипцию в месте мишени. ХРК из различных систем имеют на С-конце гомологичный участок, включающий около 100 аминокислотных остатков. Для РР характерна гомология домена примерно из 130 аминокислотных остатков на N-конце [6], что может обусловливать перекрестные реакции между разными организмами.
Стрессовые ответы с участием внеклеточных метаболитов. Классические работы Роубари [3, 4] с использованием штамма Escherichia coli 1829ColV положили начало изучению защиты бактерий от стрессорных воздействий при участии внеклеточных сигнальных соединений (сенсоры), главным образом, пептидной природы. В соответствии с представлениями автора [3], стресс распознается сенсорным экзометаболитом (ВСК, внеклеточный сенсорный компонент), который под действием стрессорных воздействий превращается ("активируется") в индуктор (ВИК, внеклеточный индуцирующий компонент) и, взаимодействуя с клеткой, приводит к индукции устойчивости клетки к стрессу [7]. Таким образом, по Роубари, ВСК служат первоначальной мишенью стрессового воздействия.
В отличие от классической индукции в индукции, опосредованной внеклеточными метаболитами, выделяемыми неповрежденными клетками, возможно его превентивное действие. Поэтому неудивительно, что большая часть стрессовых ответов микроорганизмов связана с участием внеклеточных факторов [7]. Их называют аутоин-дукторами. У грамотрицательных бактерий аутоин-дукторами кворум-сенсинга служат главным образом ацилированные лактоны гомосерина (АГЛ), но могут быть и другие соединения, как циклические
дипептиды, метиловый эфир 3-гидроксипальмити-новой кислоты или 2-гептил-3-гидрокси-4-хино-лон. Грамположительные бактерии в качестве ауто-индукторов используют пептиды, небольшие белки, аминокислоты. АГЛ гидрофобны и покидают клетку при простой диффузии, пептидные индукторы — гидрофильны и для их экскреции требуются специальные системы экспорта.
Клетки E. coli выделяют внеклеточные факторы Xj и хп, образующиеся в условиях стресса под действием N-этилмалеимида (N-ЭМ) [8]. Первый из них — xj обеспечивает прямую коллективную защиту клеток от литического действия N-ЭМ; фактор хп, представлен сигнальными молекулами, которые выделяются в среду в условиях сильного стресса, вызывающего резкое снижение роста культуры. Фактор х1 неустойчив при нагревании и хранении, а фактор хп стабилен в этих условиях и, возможно, является средством межклеточной коммуникации. Однако природа и механизмы действия этих факторов пока не ясны.
Напротив, хо
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.