БИОХИМИЯ, 2015, том 80, вып. 9, с. 1334 - 1343
УДК 577.1:576.851.31+577.4
ХИТИН И ПРОДУКТЫ ЕГО ГИДРОЛИЗА В ЭКОЛОГИИ Vibrio cholerae
Обзор
© 2015 Е.Ю. Марков1*, Е.С. Куликалова1, Л.Я. Урбанович1, В.С. Вишняков2, С.В. Балахонов1
1 Иркутский научно-исследовательский противочумный институт Роспотребнадзора, 664002 Иркутск; факс: +7(3952)220-140,
электронная почта: mark_evgenii@mail.ru 2 Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина РАН, 152742 Ярославская область, пос. Борок; факс: +7(48547)24-042
Поступила в редакцию 24.11.14 После доработки 19.02.14
В обзоре представлены данные о роли хитина и продуктов его гидролиза, образуемых под действием хити-наз холерного вибриона, в механизмах его адаптации в водной окружающей среде, метаболизме, сохранении, приобретении патогенного потенциала и его эпидемиологическом значении. Описано использование микроорганизмом хитина в качестве источника энергии, углерода и азота; ассоциация с ним способствует образованию биопленки на природных хитиновых поверхностях с усилением устойчивости возбудителя холеры к неблагоприятным факторам экологических ниш — организма человека и водной окружающей среды с ее обитателями. Регулируемые соответствующими генами гидролитические ферменты посредством хити-нолитического катаболического каскада приводят к полной биодеградации хитина. Последствия взаимодействия клеток V. cholerae с хитином на разных иерархических уровнях включают в себя метаболические и физиологические реакции клетки, такие, как хемотаксис, деление клеток, образование биопленки, индукция генетической компетентности, комменсальные и симбиотические взаимоотношения с высшими организмами, круговорот питательных веществ, патогенность для человека и водных организмов, что служит в экологии микроорганизмов примером успешного взаимоотношения бактерий с субстратом.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: вибрион эльтор, хитинолитический каскад, генетическая регуляция, экология.
Для возбудителя холеры (Vibrio cholerae eltor) — этиологического агента текущей VII пандемии холеры, существуют две экологические ниши: организм человека и водная окружающая среда с ее гидробионтами [1]. Персистируя в водных экосистемах, холерный вибрион вступает в сложные биоценотические взаимоотношения с водными организмами и растениями [2]. Особую роль в сохранении и эволюционных преобразованиях холерного вибриона в водных экосистемах играют хитиновые покрытия членистоногих, некоторых диатомовых водорослей и грибов [3]. Хитинсодержащие водные организмы служат для V. cholerae местом обитания (резервуаром), питательным субстратом, своеобразным убежищем от неблагоприятных факторов окружающей среды, а для человека — средством его инфицирования при употреблении загрязненной планктоном воды и необработан-
* Адресат для корреспонденции.
ных морепродуктов [2]. Показано влияние водной окружающей среды на жизненный цикл холерного вибриона, имеющее существенное значение в эпидемиологии холеры [4].
Холерный вибрион обитает в разнообразных морских и пресноводных водоемах, где он зачастую прикрепляется и питается на биотических и абиотических хитиновых поверхностях [5—7]. Хитин — целлюлозоподобный природный биополимер, поли-^-ацетил-В-глюкозо-2-амин (01сМАс)я, состоящий из остатков 2-ацетамидо-2-дезокси-В-глюкозы (называемой также ^-аце-тил-Б-глюкозамином (С1сМАс)), связанных между собой р-(1^4)-гликозидными связями. Хитин — один из наиболее распространенных в природе полисахаридов, каждый год на Земле в живых организмах образуется и разлагается около 1011 т хитина, из них более 109 т вырабатывается только ракообразными. Этот высокостабильный полимер выполняет защитную и опорную функции, является основным компонентом
экзоскелета ракообразных, насекомых, яиц членистоногих и нематод, широко распространенных в различных водоемах (реках, эстуариях и океанах), входит в состав клеточных стенок бактерий и грибов. Хитин также обнаруживается в продуктах линьки и погадках членистоногих, в некоторых диатомовых водорослях.
Холерный вибрион способен утилизировать хитин и его деацетилированную форму — хито-зан (01еМ)я — в качестве источника энергии, углерода и азота [8—13] и, как и многие другие морские бактерии, обладает всем необходимым для обнаружения хитиновых поверхностей и прикрепления к ним, гидролиза хитина до олигоса-харидов и дисахаридов, транспортировки последних в цитоплазму с их последующим включением в процессы общего метаболизма [14].
МЕХАНИЗМЫ АДГЕЗИИ V. еко1егае К ХИТИН-СОДЕРЖАЩИМ СУБСТРАТАМ И ИХ БИОДЕГРАДАЦИИ
Случайное столкновение единичных свободно плавающих клеток V. еко1егав с неколони-зированными, покрытыми эпикутикулой поверхностями зоопланктона приводит к опосредованной маннозо-чувствительным гемагглюти-нином (МЗНА) адгезии [5]. Во взаимодействии вибрионов с хитином могут принимать участие и другие поверхностные белки [15]. На поверхности, уже колонизированной хитинолитически-ми бактериями, градиент концентраций С1еМАе и (С1еМАе)2 направляет бактерии к хитиновой поверхности и индуцирует экспрессию адгези-на, кодируемого геном УСЛ0811. Затем происходит полная индукция регулона сигнальной гис-тидинкиназы СЫ8 и координированная экспрессия хитин-регулируемых пилей, а катаболизм хитина способствует его колонизации, эффективному гидролизу и ассимиляции. Там, где встречаются неацетилированные остатки хитина, (С1еМ)2 индуцирует экспрессию набора соответствующих генов, обеспечивая тем самым максимальное использование хитинового субстрата [16]. Установлено, что клетки холерного вибриона располагают механизмами, которые обеспечивают адгезию к хитин-содержащим субстратам, гидролиз этого биополимера до мономеров, транспорт мономеров в цитозоль, и ферментативными системами, осуществляющими катаболизм ^-ацетилглюкозамина (мономера хитина) до ацетата, аммиака и фруктозо-6-фосфата, включающегося в центральный амфиболизм клетки [14].
Биодеградация хитина требует взаимодействия нескольких гидролитических ферментов
для эффективного и полного расщепления. Вырабатываемые многими микроорганизмами, включая холерный вибрион, хитиназы (EC 3.2.1.14) — группа гликозилгидролаз, которые способны расщеплять хитин до низкомолекулярных продуктов [9, 12, 13]. Совместное действие эндохи-тиназ (EC 3.2.1.14), экзохитиназ [(хитобиозидаз) и р-^-ацетилгексозаминидазы (EC 3.2.1.82)] доводит деградацию полимерной молекулы хитина первоначально до высших хитоолигосахари-дов и далее до хитобиозы с последующим превращением ее в ^-ацетил-Б-глюкозамин в присутствии .N-ацетил-в-глюкозаминидазы и в глю-козамин при действии ^-ацетилглюкозаминде-зацетилазы [10]. Конечными же продуктами хи-тинолитической системы вибрионов оказываются уже упомянутые фруктозо-6-фосфат, ацетат и аммоний [14]. У вибрионов также обнаружена хитоолигосахариддеацетилаза (COD) (chitin oligosaccharide deacetylase), которая путем гидролиза отщепляет ^-ацетильную группу на редуцирующем конце GlcNAc дисахарида (GlcNAc)2 с образованием гетеродисахарида 4-0-(Л^-ацетил-в-Б-глюкозаминил)-Б-глюкозамина (GlcNAc-GlcN) [11]. Этот гетеродисахарид является уникальным индуктором продукции хитиназ у вибрионов, обладающих COD-продуцирующей способностью, а сам этот фермент (COD), вовлеченный в образование сигнального гетероди-сахарида GlcNAc-GlcN, является одним из ключевых ферментов хитинового катаболического каскада у вибрионов.
Как уже отмечено выше, основой взаимодействия холерных вибрионов с ракообразными является продукция хитиназ, утилизирующих хитин, входящий в состав экзоскелета ракообразных. Благодаря хитинолитической активности морских бактерий, в том числе представителей семейства Vibrionaceae, лишь незначительное количество хитина можно обнаружить в донных отложениях, несмотря на его огромное ежегодное образование морскими гид-робионтами, преимущественно ракообразными [14]. Без этой ферментативной активности морских микроорганизмов, возвращающей нерастворимый полисахарид в экосистему в биологически доступной форме, вода в океанах относительно быстро бы обеднела по содержанию углерода и азота (кроме того, происходило бы накопление большого количества осадочных остатков хитиновых скелетов ракообразных и других организмов). Следовательно, изучение взаимодействия между вибрионами и хитин-со-держащими поверхностями (субстратами) важно как в отношении воздействия на здоровье человека, так и с точки зрения экологии микроорганизма.
ГЕНЕТИЧЕСКАЯ РЕГУЛЯЦИЯ ДЕГРАДАЦИИ ХИТИНА
Анализ генома V. cholerae [16] показал наличие пяти генов хитиназ (обозначение локусов: VC0769, VC1073, VC1952, VCA0027 и VCA0811) и одной хитодекстриназы (VCA0700) [5]. Из пяти хитиназ, три — предполагаемые (VC0769, VC1073 и VCA0811). Обнаружено, что другой ген (VCA0140) кодирует обозначенный как спиндо-лин-подобный белок (spindolin-like), содержащий хитин-связывающий домен типа 3 [5]. Продукты этого гена раздельно или совместно гидролизуют хитин до олигосахаридов [17]. Кирн с соавт. в 2005 г. показали, что предполагаемый хитиназный ген VCA0811 является общим фактором, который способствует адгезии V. cholerae к хитину, также как и к слизистой поверхности кишечника [8]. С целью выживания и колонизации клетки V. cholerae прикрепляются к остаткам ^-ацетилглюкозамина (GlcNAc), гликопротеинов и липидов, находящихся в эпителии кишечника и к хитиновым поверхностям зоо- и фитопланктона в водоемах [18]. Показано, что колонизирующая способность мутантов, не способных утилизировать GlcNAc, значительно ослаблена [18]. Таким образом, хитина-зы, играющие важную роль в выживании вибрионов и круговороте хитиновой биомассы, могут также участвовать в адгезии этих бактерий к слизистой кишечника человека [17]. Установлено, что хитиназа ChiA2 играет важную роль в выживании холерного вибриона в кишечнике человека и в патогенезе холеры, вызывая дегли-козилирование муцина с высвобождением редуцирующих сахаров, таких как GlcNAc и его оли-гомеры [19].
Гены, необходимые для деградации и утилизации хитина в качестве источника углерода для V. cholerae, регулируются гистидинкиназой ChiS (VC0622) [5, 20]. Экспрессия этого белка в отсутствие хитина негативно рег
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.