научная статья по теме АНТИСТРЕССОВЫЕ СИСТЕМЫ ДРОЖЖЕЙ YARROWIA LIPOLYTICA (ОБЗОР) Химия

Текст научной статьи на тему «АНТИСТРЕССОВЫЕ СИСТЕМЫ ДРОЖЖЕЙ YARROWIA LIPOLYTICA (ОБЗОР)»

ПРИКЛАДНАЯ БИОХИМИЯ И МИКРОБИОЛОГИЯ, 2015, том 51, № 2, с. 122-131

УДК 582.21.05

АНТИСТРЕССОВЫЕ СИСТЕМЫ ДРОЖЖЕЙ Yarrowia lipolytica (ОБЗОР)

© 2015 г. А. Ю. Аринбасарова, Е. Н. Бирюкова, А. Г. Меденцев

Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина РАН, Пущино Московской обл. 142290,

e-mail: medentsev-ag@rambler.ru Поступила в редакцию 22.05.2014 г.

В обзоре рассмотрены собственные и литературные данные об адаптационном ответе микроскопических грибов Yarrowia lipolytica на различные стрессовые воздействия. Обсуждается однотипность ответа клеток на все стресс-факторы.

Ключевые слова: Yarrowia lipolytica, стресс, выживаемость, дыхательная цепь, ультраструктура, полифосфаты.

DOI: 10.7868/S0555109915020026

В природных экосистемах микроорганизмы постоянно подвергаются воздействию неблагоприятных факторов внешней среды (стрессоров). К ним относятся недостаток элементов питания, активные формы кислорода (АФК), неоптимальные температура и рН, присутствие спиртов, ионов тяжелых металлов, высушивание и др. [1].

Способность к существованию в экстремальных условиях связана с высокими адаптационными возможностями клеток микроорганизмов, "запускающими" механизмы, обеспечивающие им выживание и конкурентоспособность в различных стрессовых условиях, в том числе при действии ок-сидантов, этанола или температуры.

Стрессовые воздействия вызывают разные типы повреждений в клетке. Так, повышение температуры вызывает в клетках увеличение степени текучести липидного бислоя мембраны, что может привести к понижению эффективности ионного гомеостаза и преобразования энергии [2]. Этанол и другие короткоцепочечные спирты могут легко диффундировать через липидный бис-лой, по-разному воздействуя на физико-химические и структурные свойства биологической мембраны. При этом изменяется липидный состав мембран, нарушается транспорт ионов и метаболитов через плазматическую мембрану, денатури-рируются белки цитоплазмы и снижается активность гликолитических ферментов [3]. АФК способны окислять ДНК, белки и липиды [4].

Выяснение механизмов адаптации и их роль как в эволюционных процессах, так и при реализации биосинтетических возможностей клетки представляют большой интерес для исследователей. Именно в стрессовых условиях микроорга-

низмы способны осуществлять такие процессы, как детоксикация вредных соединений, синтез и накопление различных метаболитов, в том числе антибиотиков, токсинов и пигментов. Изучение адаптационного потенциала микроорганизмов необходимо также в связи с глобальным химическим загрязнением окружающей среды.

Действие защитных механизмов включает синтез ряда ферментов, а также защитных или сигнальных метаболитов. Так, в ответ на действие ок-сидантов микроорганизмы могут синтезировать (или активировать) разного рода антиоксидантные системы, поддерживающие редокс-потенциал в клетке [5]. Показано также, что комплексное действие стрессоров на микроскопические грибы приводит к дополнительному синтезу каротино-идных (Neurospora crassa) [6] и нафтохиноновых (Fusarium decemcellulare) [7] пигментов. Значительная часть исследований посвящена белкам теплового шока [8]. В целом, литературные данные свидетельствуют о вариабельности адаптационных механизмов.

Дрожжи Y. lipolytica являются продуцентами многих практически ценных соединений (органических кислот, липаз, цитохрома с и др.) [9, 10].

В работах [11—13] условия окислительного стресса были смоделированы путем инкубации клеток дрожжей в присутствии Н2О2 или таких су-пероксид-генерирующих агентов, как менадион (2-метил-1,4-нафтохинон) или юглон (5-окси-1,4-нафтохинон), условия теплового стресса — путем их инкубации при 37 и 45°C, а условия этаноль-ного стресса — путем их инкубации в присутствии этанола. Варьировали как концентрацию, так и время воздействия стрессоров. Мягкие стрессовые воз-

АНТИСТРЕССОВЫЕ СИСТЕМЫ ДРОЖЖЕЙ ¥аггот1а Нро1уПса (ОБЗОР)

123

%

мМ

Рис. 1. Зависимость выживаемости клеток У. Нро1уНса от содержания менадиона в среде. 1 — экспоненциальная фаза роста (без предобработки), 2 — стационарная фаза роста (без предобработки), 3 — экспоненциальная фаза роста после предобработки менадионом (0.05 мМ) в течение 60 мин.

действия (обработка малыми дозами оксидантов или этанола, а также инкубация при 37°С) позволяли получить стрессоустойчивые (адаптированные) клетки.

Определение выживаемости клеток является одним из критериев оценки действия стресс-факторов. На рис. 1 в качестве примера представлены данные, характеризующие чувствительность клеток к менадиону. Для клеток экспоненциальной фазы роста культуры дрожжей летальной (выживаемость — менее 1%) оказалась концентрация менадиона, 0.5 мМ. Для клеток дрожжей летальные дозы других оксидантов отличалась на 2—3 порядка. Так, летальное действие Н2О2 наблюдалось при 120 мМ, а юглона — при 50 мкМ. Летальная доза оксидантов может быть увеличена путем предварительной обработки клеток их низкими дозами: менадиона — 50 мкМ (рис. 1, кривая 3), Н2О2 — 0.5 мМ, юглона - 5 мкМ [11].

Предобработка клеток дрожжей низкими дозами оксидантов приводила также к повышению их устойчивости в условиях теплового и этанольного стрессов. В то же время тепловая "закалка" обеспечивала повышение устойчивости к действию оксидантов. Адаптация клеток в присутствии этанола (5%) повышала их устойчивость к воздействию как оксидантов, так и температуры (рис. 2). Таким образом, имела место перекрестная устойчивость [12, 13]. Следует отметить, что в случае перекрестной устойчивости у клеток дрожжей отмечался более высокий адаптационный потенциал.

Литературные данные о перекрестной устойчивости дрожжей при воздействии различных стрес-

%

мин

Рис. 2. Влияние предобработки этанолом (5%) на выживаемость клеток экспоненциальной фазы роста в условиях теплового (1, 3) и окислительного (2, 4) стрессов.

1 и 2 — без предобработки (контроль); 3 и 4 — предобработка этанолом (5%), 60 мин, клетки выращивали на среде, содержащей 1% глюкозы.

совых факторов фрагментарны и неоднозначны. Так, клетки дрожжей Saccharomyces cerevisiae после предобработки Н2О2 [14] или менадионом [15] оставались чувствительными к повышенной температуре, а мягкая тепловая предобработка (37°С) не вызывала развития устойчивости к Н2О2 [14]. Тот факт, что дрожжи различных таксономических групп по-разному реагируют на стрессоры, свидетельствует о вариабельности адаптивных механизмов. Можно предположить, что действие стрессоров обусловлено их специфичностью к той мишени в клетке, на которую направлено их воздействие.

Влияние стрессоров на клетки прямо или косвенно связано с образованием АФК, действие которых в конечном итоге и приводит к их гибели [16]. Анализ литературных данных [17—21] свидетельствует о том, что одной из мишеней действия АФК могут , быть митохондрии, в частности, дыхательная цепь. В то же время повреждение дыхательной цепи может прямо или косвенно приводить к образованию АФК на уровне убихинона. АФК вызывают перекисное окисление фосфоли-пида-кардиолипина, который необходим для активности цитохромоксидазы. Кроме того, АФК инактивируют переносчики электронов по дыхательной цепи, АТФазу, трансгидрогеназу и другие белки [18, 19, 21].

Литературные данные [17, 22] свидетельствуют о том, что действие стрессоров приводит к заметной стимуляции генетической активности клеток, в результате чего наблюдается появление стрессовых белков, участвующих в защите клеток от летального действия АФК и высокой температуры. Стресс-индуцируемые белки имеют митохондри-альную локализацию, что указывает на участие митохондрий в ответе клеток на действие стрессоров [17].

% 100

(a)

1 1 (б)

нмоль O2 мин 1 мг 1 сух. кл.

20 г

15

j

60 мин

10

+ 2

60 мин

Рис. 3. Выживаемость клеток Y. lipolytica (а) и их дыхательная активность (б) в условиях окислительного стресса в присутствии 120 (1, 3, 4) и 0.5 мМ (2) Н2О2. 1, 2, 3 — экспоненциальная фаза роста; 4 — стационарная фаза роста, 3 — с предобработкой 0.5 мМ Н2О2 в течение 60 мин.

Результаты, представленные на рис 3, показывают, что одной из мишеней действия всех стресс-факторов является дыхательная цепь дрожжей Y. lipolytica. Действие всех стрессоров приводило к резкому снижению потребления клетками кислорода. У адаптированных клеток (после мягких стрессовых воздействий) (рис. 3, кривые 2 и 3) дыхательная активность сохранялась на более высоком уровне. Дыхание клеток стационарной фазы роста было менее подвержено губительному действию стрессоров (рис. 3, кривая 4). Во всех указанных случаях у Y. lipolytica отмечалась корреляция активности дыхания и выживаемости.

При повреждении дыхательной цепи клеток может осуществляться включение альтернативного пути переноса электронов [7, 23]. Альтернативная оксидаза ответвляется от основной дыхательной цепи на уровне убихинона и переносит на кислород восстановительные эквиваленты от

комплекса I (эндогенной НАДН-дегидрогеназы), а также экзогенной НАДН-дегидрогеназы, сук-цинат- и глицерофосфат-дегидрогеназ, минуя основную дыхательную цепь (рис. 4) [23]. Можно предположить, что слабым звеном в основной дыхательной цепи в ответ на действие оксидантов, температуры и этанола является цитохромный участок от убихинона до цитохромоксидазы. Наиболее вероятным кандидатом на роль слабого звена может быть цитохром с, относительно подвижный компонент дыхательной цепи.

С помощью ингибиторного анализа было установлено, что одним из компонентов сложного адаптивного ответа, действительно, является включение альтернативного пути переноса электронов — цианид-резистентного дыхания (альтернативной оксидазы) (табл. 1) [24]. При этом выживаемость Y. lipolytica в условиях окислительного, теплового и этанольного стрессов зависела от функциональной активности основной (цито-хромной) дыхательной цепи и альтернативного пути переноса электронов. Из данных, приведенных на рис. 5, можно видеть, что в присутствии антимицина А (рис. 5, кривые 2), ингибирующего основную дыхательную цепь, выживаемость клеток была выше, чем в присутствии бензогидрок-самовой кислоты (БГК) (рис. 5, кривые 3), подавляющей альтернативную ок

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Химия»