МИКРОБИОЛОГИЯ, 2013, том 82, № 3, с. 259-273
= ОБЗОРЫ
УДК 579.258+579.252.2+579.243
ГЕНЕТИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ АДАПТАЦИИ БАЦИЛЛ © 2013 г. А. А. Тойменцева, М. Р. Шарипова1
Казанский (Приволжский) федеральный университет Поступила в редакцию 18.06.2012 г.
Рассмотрены механизмы адаптации бацилл на уровне реализации генетического потенциала этих организмов. Обсуждается роль глобальных регуляторов и двухкомпонентных систем сигнальной трансдукции, которые координируют взаимодействие между сигналами, поступающими извне, и развитием генетических программ, определяющих метаболическое состояние бактерий. Отмечается, что практически все известные регуляторные пути подвержаны прямой или опосредованной регуляции глобальными регуляторами — Ве§И, 8ро0А, ЛЬгВ, СоёУ Определяющим фактором в развитии клеточного фенотипа выступает концентрация клеточного регулятора, изменяющаяся в ходе развития популяции, а также его способность с различной степенью сродства взаимодействовать с промотрами генов и оперонов. Обсуждается состояние бистабильности микробных популяций в зависимости от статуса регуляторных систем.
Ключевые слова: Bacillus subtilis, сигнальная трансдукция, двухкомпонентные системы, глобальные факторы регуляции, споруляция, компетентность, бистабильность популяций.
DOI: 10.7868/S0026365613030142
В процессе эволюции бактерии, в том числе рода Bacillus, выработали различные адаптационные механизмы, позволяющие им преодолевать неблагоприятные условия. К ним относятся способность к поглощению экзогенной ДНК, продукция протеолитических белков, образование биопленок, создание колоний различной архитектоники (формирование плодовых тел), подвижность клеток, образование покоящихся форм, в частности, спорообразование и т.д. [1]. Как происходит регуляция различных поведенческих реакций бактерий? Ответ на этот вопрос заключается в способности бактериальной клетки быстро запускать транскрипцию определенного участка хромосомы и перестраивать метаболические пути, активируя работу различных элементов и систем регуляции в ответ на внешние раздражители.
Множественность клеточных реакций предполагает отсутствие единого "переключателя". Тем не менее, накапливаются данные о полифункциональности отдельных клеточных регуляторов. Установлено, что регуляторный белок SinR координирует в популяции бацилл два физиологических состояния — подвижность клеток и сложную архитектуру колоний [2]. Другие исследователи [3] подчеркивают ключевую роль DegU белка в координации генетической компетентности, подвижности клеток, образовании плодовых тел и продукции
1 Автор для корреспонденции (e-mail: marsharipova@ gmail.com).
протеолитических ферментов. Отмечено, что приоритет одного из путей клеточного развития определяют концентрация и степень фосфорилирования Эе§и белка (Эе§и~Р). Сложная структура колоний (а) и образование прикрепленных форм (б), клеточная подвижность (в) и генетическая компетентность (г) активируются низким (а-в) и очень низким (г) уровнем белка Эе§и~Р. При этом эти процессы ингибируются высокой концентрацией фосфорилированной формы белка Эе§и~Р [3]. Развитие трех других фенотипов В. зыЬИШ — образование биопленок, каннибализм и споруляция, регулируются уровнем накопления и фосфорилирова-нием другого фактора транскрипции — 8ро0А [4].
В целом, формирование интегральных ответов зависит от совокупности всех механизмов регуляции микробного метаболизма. Знания в этой области интенсивно развиваются по мере расшифровки и анализа бактериальных геномов. Более половины генов в любых, даже небольших, геномах кодируют белки с неизвестной функцией. Предполагают, что большинство этих генов связаны с регуляцией. В обзоре рассматриваются основные регуляторные механизмы, позволяющие грамположительным бактериям, на примере В. зыЬИШ, адаптироваться к измененям условий окружения.
Двухкомпонентные системы трансдукции — основа выживания бактерий. Мониторинг среды (изменение ионной силы, осмотический, температурный стрессы, концентрация питательных
Класс I
-4DHp( (CA 0
Взаимодействие с ДНК/белком, запуск транскрипции
Принимающий Передающий Принимающий Эффекторный домен домен домен домен
HK
RR
Класс II
Й».
HK
—V—
RR
Взаимодействие с ДНК/белком, запуск транскрипции
Рис. 1. Схема организации двухкомпонентных систем бактерий. Гистидинкиназа (НК) включает ^терминальный сенсорный домен, узнающий специфический сигнал окружающей среды. Эта информация посредством информационных изменений (аутофосфорилирование гистидина) передается на цитоплазматический домен НК. Последний активирует ^терминальный домен ответного регулятора (КК) через фосфорилирование аспартата. От него сигнал передается на С-терминальный домен КЯ, запуская экспрессию набора специфических генов через белок-белковое или ДНК-белковое взаимодействие эффекторного домена. Дефосфорилирование ответного регулятора является важным условием рециркуляции активности двухкомпонентных систем. Обозначения: НК — гистидин киназа, КЯ — ответный регулятор, Р — фосфор, ВНр — гистидин фосфотрансферазный домен, СА — каталитический АТФазный домен, В — домен димеризации, — регуляторный домен.
P
веществ, присутствие антибиотиков) является главным условием выживания бактерий. Ведущая роль в таком контроле принадлежит двум регуля-торным белкам — сенсорной гистидинкиназе (HK, histidine kinase) и внутриклеточному ответному регулятору (RR, response regulator), объединенным в регуляторную пару — двухкомпонентную систему сигнальной трансдукции. Двухкомпонент-ные системы широко распространены у прокариот и низших эукариот. Число HK/RR пар варьирует у разных видов: Mycoplasma genetalium — 0, Escherichia coli — 30/32, B. subtilis — 36/34, Anabaena sp. штамм PCC7120 - 131/80, Myxococcus xanthus — 132/119 [5]. Знания о механизмах регуляции и организации двухкомпонентных систем становятся все более приоритетными, поскольку многие генные кластеры бактерий, отвечающие за рост и пато-генность, контролируются с помощью таких систем. В связи с этим, инновационным является поиск их ингибиторов, позволяющих блокировать развитие вирулентности патогенных бактерий [6].
Функцией гистидинкиназы (HK) является передача внешнего сигнала внутрь клетки, а ответного регулятора (RR) — активация экспрессии специфических генов [7]. Большинство идентифицированных систем имеют сложную доменную
организацию. В HK и RR белках присутствуют консервативные домены содержащие гистидино-вый (H) и аспартатный (D) боксы, соответственно, которые взаимодействуют между собой посредством фосфорилирования/дефосфорилирования. Все гистидинкиназы обладают фосфотрансфераз-ной и АТФазной активностями. В зависимости от расположения этих доменов: последовательного (I) или через дополнительные домены (II), диме-ризации (D) и регуляции (Reg) - выделяют 2 класса гистидинкиназ (рис. 1). Большинство сенсорных киназ двухкомпонентных систем - трансмембранные белки, которые переходят в активное состояние (т.е. становятся способными передать фосфатную группу ответному регулятору) в результате действия внешних стимулов на их N-терминальный сигнал-воспринимающий домен, локализованный на поверхности клеток [7].
Большинство генов двухкомпонентных систем бактерий организованы в опероны, однако с каждым годом открывают новые HK/RR системы [8, 9], а также ортологи уже описанных систем [10], гены которых имеют разрозненное/одиночное ("orphan") расположение в геноме. Оперон-ное устройство генов показывает, что функционирование двухкомпонентных систем не ограничено HK- и RR-белками — они включают
Состояние компетентности
= сот К
■ DegU
DegU~P
Синтез внеклеточных ферментов деградации
Избыток азота
Синтез автолизинов
GlnA-GlnR
-ITnrA
Подвижность Хемотаксис
Рис. 2. Схема двухкомпонентной системы DegS/U. Обозначения: Т-образными стрелками указана негативная регуляция, прямыми стрелками — позитивная регуляция. Двойные стрелки обозначают фенотипические признаки.
D
элементы, связывающие воедино многочисленные сигналы, поступающие в клетку извне. Каждая регуляторная HK/RR пара требует наличия вспомогательных белков, которые локализованы на внутренней/внешней мембране, в периплазме или цитоплазме. Вспомогательные белки обеспечивают работу систем (цитоплазматический белок ApsX необходим для функционировнаия ApsS/ApsR системы Staphylococcus aureus), выполняют функцию транспортировки сигнала (ABC-транспортер BceAB работает совместно с BceS/Bc-eR системой B. subtilis) или координируют работу нескольких систем приема/передачи сигнала (механизм описан для DivJ/DivK и PleC/PleD систем Caulobacter crescentus) и т.д. [11]. Таким образом, двухкомпонентные системы бактерий — это слож-ноорганизованные сети белков, позволяющие клетке эффективно адаптироваться к изменению условий окружения.
Примером сложной организации сигнальных систем являются бактерии B. subtilis. Перекрывание многих регуляторных путей позволяет бациллам быстро адаптироваться к изменениям окружающих условий путем формирования интегрированного ответа на специфический сигнал, "фильтруя" информацию, полученную извне и перестраивая метаболизм с минимальной затратой энергии.
DegS/DegU система. Ключевой системой регуляции B. subtilis на этапе постэкспоненциального развития является DegS/U регуляторная пара. Известно более 120 генов, которые активируются данной системой [12]. Описаны два типа мутаций, связанных с ее функционированием: (1) при нарушении функций гистидинкиназы DegS и/или накоплении нефосфорилированной формы белка DegU происходит подавление синтеза ферментов деградации и развитие состояния компетентности (способность к поглощению внеклеточной ДНК). Другой тип мутаций (2), на основе повышения в клетке концентрации DegU~P или его стабилизации (Hy-фенотип), приводит к потере клеткой жгутиков, нитевидной структуре колоний, способности поглощать ДНК. Однако при этом клетки способны переходить к спорообразованию даже в присутствии высокоэнергетического субстрата —
глюкозы, а также к активной продукции внеклеточных ферментов (а-амилаз, левансахаразы, нейтральной и щелочной протеаз и др.) (рис. 2). Показано, что
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.