БИОХИМИЯ, 2013, том 78, вып. 9, с. 1229 - 1238
УДК 577.017
БАКТЕРИИ И ФЕНОПТОЗ © 2013 г. О.А. Кокшарова
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, НИИ физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского, 119991 Москва; факс: +7(495)939-3182, электронная почта: koksharova@genebee.msu.ru, oa-koksharova@rambler.ru Институт молекулярной генетики РАН, 123182 Москва, пл. Академика Курчатова, 2; факс: +7(499)196-0221
Поступила в редакцию 28.05.13
Генетически запрограммированная смерть организма, или феноптоз, обнаруживается не только у животных и растений, но и у бактерий. Принимая во внимание выявленные у бактерий внутрипопуляционные связи, нетрудно представить значение феноптоза в регуляции многоклеточного бактериального сообщества в реальных условиях его существования. Так, автолиз части популяции ограничивает распространение вирусной инфекции. Уничтожение клеток с поврежденной ДНК способствует поддержанию низкого уровня мутаций. Феноптоз может способствовать обмену генетической информацией в популяции бактерий при высвобождении ДНК в результате лизиса клеток. С целью передачи сигналов в популяции бактерии используют особый «язык», он служит для скоординированной регуляции экспрессии генов. Этот особый тип регуляции экспрессии генов бактерий, функционирующий обычно при высоких плотностях их популяций, был назван «чувством кворума» или «quorum sensing» (QS). В качестве сигнальных могут быть использованы различные молекулы. Обнаружено, что феноптоз, осуществляющийся в системах токсин—антитоксин (ТА-системы), зависит от плотности популяции, и для него необходим QS-фактор, который был назван внеклеточным фактором смерти. Изучение механизмов феноптоза у бактерий имеет важное практическое значение. Компоненты, входящие в состав систем, обеспечивающих программируемую клеточную смерть (ПКС), и, в том числе, QS-фактор, могут быть кандидатами для разработки лекарств, которые будут активировать механизмы феноптоза и способствовать уничтожению патогенных бактерий. Сравнительный геномный анализ позволил установить, что гены, кодирующие несколько ключевых ферментов, участвующих в апоптозе эукариот, таких как паракаспазы и метакаспазы, апоптозные АТФазы, белки, содержащие богатый лейцином NACHT-повтор, и протеазы, подобные митохондриальной протеазе HtrA, имеют гомологов в бактериях. Методы протеомики позволили впервые идентифицировать белки, образующиеся во время феноптоза и участвующие в упорядоченной ликвидации клеток Streptomyces coelicolor и Escherichia coli. Среди этих белков обнаружены ферменты, вовлеченные в деградацию клеточных макромолекул, регуляторные белки и белки, индуцируемые в условиях стресса. Будущие исследования с привлечением методов биохимии, генетики, геномики, протеомики, транскриптомики и метаболомики могут помочь глубже понять особенности ПКС бактерий и использовать эти знания для управления бактериальными популяциями.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: бактерии, феноптоз, программируемая клеточная смерть, клеточная популяция, QS, аутоиндукторы, внеклеточный фактор смерти, сравнительная геномика, протеомика.
Вопросы продолжительности жизни организмов на нашей планете интересовали человечество с древних времен. Античный медик Клавдий Гален (II век н.э.) ввел понятие «апоп-тоз». В переводе с греческого оно означает «листопад». Так Гален назвал процесс, приводящий к опадению листьев осенью. Поскольку листья опадают только с живых деревьев, ученый сделал вывод о том, что это свойство заложено в программе развития этих растений. Гипотеза
Принятые сокращения: ПКС — программируемая клеточная смерть, QS — «чувство кворума» или «quorum sensing», EDF — внеклеточный фактор смерти (extracellular death factor), ALD — апоптозоподобная смерть (apoptotic-like death), ТА-комплекс — комплекс токсин—антитоксин.
запрограммированной смерти организмов была выдвинута в 80-х годах XIX века немецким ученым Августом Вейсманом. Согласно этой гипотезе, в результате естественного отбора возник генетически запрограммированный механизм гибели клеток для исключения старых изношенных особей с целью освобождения жизненного пространства и ресурсов для молодого поколения. В конце 90-х годов XX века В.П. Скулачев предложил термин «феноптоз» для определения запрограммированной смерти организма [1—4]. Все свойства организма закодированы в его геноме, в том числе и процессы отмирания, и реализуются они в виде цепи биохимических реакций, вызывающих, в конечном итоге, его гибель. Именно поэтому явление феноптоза ак-
тивно изучается биохимиками. В последние десять—пятнадцать лет к изучению этого процесса подключились генетики, молекулярные биологи, биоинформатики. В настоящее время доступны массивы данных о геномах различных организмов. Анализ этих данных, а также их использование для протеомных, транскриптом-ных и метаболомных исследований может помочь глубже понять механизмы старения и запрограммированной гибели организмов, их регуляцию и эволюцию.
Ранее в отечественной обзорной литературе обсуждались механизмы и эволюция апоптоза у одноклеточных организмов [5—7]. Предлагаемый обзор посвящен освещению некоторых новых фактов, полученных в последние годы исследователями, работающими в данной области, и рассмотрению экспериментальных данных, свидетельствующих о наличии «коммуникации» между клетками прокариот, способной привести к бактериальному феноптозу.
БАКТЕРИИ В ПОПУЛЯЦИИ -АНАЛОГ МНОГОКЛЕТОЧНОГО ОРГАНИЗМА
Как известно, бактерии не живут в природе и в лаборатории поодиночке. Бактерии образуют колонии (потомство одной клетки), формируют биопленки, т.е. существуют в форме клеточных популяций. Современные исследования подтверждают тезис о том, что бактериальные популяции могут рассматриваться как целостные образования с разделением биохимических функций между членами микробного сообщества, что позволяет проводить некоторую аналогию с многоклеточными организмами. Девиз «Один за всех и все за одного!» не чужд и клеткам в бактериальных популяциях. «Альтруизм» бактерий находит экспериментальное подтверждение. Так, существует известная проблема устойчивости бактериальных популяций к антибиотикам. Недавние исследования демонстрируют, что «альтруизм» бактерий может играть существенную роль в этой устойчивости. Ли с соавт. [8] показали, что большинство отдельных бактерий Escherichia coli в составе популяции, проявляющей устойчивость к антибиотику норфлоксаци-ну, было значительно более чувствительно к этому антибиотику по сравнению с популяцией в целом. Объяснялось это тем, что только небольшое количество высокорезистентных мутант-ных бактерий в популяции «альтруистически» защищало более уязвимые клетки, в частности, образуя индол — сигнальную молекулу, продуцируемую в норме активно растущими, не нахо-
дящимися в условиях стресса клетками. В данном случае это поддерживало рост всей популяции бактерий в стрессовых условиях, создаваемых присутствием в среде антибиотика. Разнообразие фенотипов бактерий в одной популяции позволяет им адаптироваться к постоянно меняющимся условиям окружающей среды, которые, в свою очередь, и определяют востребованность тех или иных фенотипов [9, 10].
С целью передачи сигналов в популяции бактерии используют особый «язык», он служит для скоординированной регуляции экспрессии генов. Этот тип регуляции экспрессии генов бактерий, функционирующий обычно при высоких плотностях их популяций, был назван «quorum sensing» (QS) или «чувство кворума». Системы QS характеризируются наличием, по крайней мере, двух основных компонентов: низкомолекулярных сигнальных молекул (ауто-индукторов) различной природы, диффундирующих из клеток в среду и обратно, и рецептор-ных регуляторных белков, с которыми взаимодействуют сигнальные молекулы. С помощью сигнальных молекул систем QS происходит межклеточная коммуникация бактерий в популяциях, обеспечивающая скоординированный ответ бактерий на изменение условий среды.
В качестве сигнальных могут быть использованы различные молекулы. Известными на сегодня классами сигнальных молекул являются олигопептиды в грамположительных бактериях и N-ацил-гомосеринлактоны (AHL, АИ-1) в грамотрицательных бактериях. Кроме того, существует семейство аутоиндукторов, известных как аутоиндукторы-2 (АИ-2), как в грамотрица-тельных, так и в грамположительных бактериях [11—15]. Это производные 2-метил-2,3,4,5-тет-ра-окситетрагидрофурана (АИ-2, THMF). Существует и еще одна группа регуляторных молекул — родственные адреналину соединения (АИ-3), производные индола и хинолина [15]. Сигнальные молекулы используются как для коммуникации между бактериями одного вида, так и для межвидовой коммуникации. Поэтому подавление общения между клетками бактерий путем блокирования сигнальных молекул рассматривается как новый подход в лечении инфекций [12, 15].
Апоптоз или программируемая клеточная смерть (ПКС) — генетически заложенная программа гибели клеток у многоклеточных эукари-отических организмов — способствует сохранению порядка и нормального функционирования биологической системы, очищая от невостребованных, больных, закончивших свой жизненный цикл или появившихся в результате мутаций потенциально опасных клеток.
Долгое время считалось, что ПКС характерна только для многоклеточных животных и растений. На первый взгляд, апоптоз бесполезен для одноклеточного организма. В идеальных условиях роста (непрерывная подача питательных веществ, отвод продуктов метаболизма, отсутствие стрессов) бактерии могли бы жить вечно, каждая клетка в результате деления давала бы две новые дочерние клетки, и так могло бы продолжаться бесконечно. Но, в реальных условиях обитания значение апоптоза в регуляции бактериального сообщества может быть существенно. Например, автолиз части популяции может ограничить распространение вирусной инфекции. Уничтожение клеток с поврежденной ДНК будет способствовать поддержанию низкого уровня мутаций. ПКС может способствовать обмену генетической информацией в популяции бактерий при высвобождении ДНК в результате лизиса клеток. Можно говорить об «альтруизме» умирающих бактериальных клеток [16] — «сам погибай, а това
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.