ПРИКЛАДНАЯ БИОХИМИЯ И МИКРОБИОЛОГИЯ, 2014, том 50, № 2, с. 125-134
УДК 547.673:577.13
МЕЛАНИНОВЫЕ ПИГМЕНТЫ ГРИБОВ В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ СУЩЕСТВОВАНИЯ (ОБЗОР)
© 2014 г. Н. Н. Гесслер*, А. С. Егорова*, Т. А. Белозерская*, **
*Институт биохимии им. А.Н. Баха РАН, Москва **Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, биологический факультет e-mail: tabinbi@mail.ru Поступила в редакцию 2.09.2013 г.
Обзор посвящен исследованиям функций меланиновых пигментов у грибов. Рассмотрены вопросы участия меланиновых пигментов в защите от действия факторов внешней среды. Приведены данные о путях биосинтеза и типах меланиновых пигментов у грибов.
DOI: 10.7868/S0555109914020093
Исследование меланиновых пигментов на протяжении длительного времени показало их значимость для выживания грибов в условиях экстремального существования, включая защиту патогенных грибов от действия активных форм кислорода (АФК) в клетках хозяина. Понимание молекулярных механизмов устойчивости грибов-экстремофилов и патогенных грибов способствует выявлению мишеней для создания новых лекарственных препаратов.
Меланиновые пигменты встречаются у представителей всех царств живой природы — от бактерий до млекопитающих. Они часто придают окраску наружным покровам рыб, птиц, животных. У грибов меланины являются важным фактором защиты от неблагоприятных воздействий внешней среды — УФ-излучения, высушивания, замораживания, высоких концентраций солей, тяжелых металлов и радионуклидов. Присутствие меланинов позволяет грибам существовать в условиях повышенной электромагнитной радиации, например в высокогорных районах, пустынных почвах, а также на поверхности растений. В экстремальных условиях как правило увеличивается доля меланизированных грибов в микобиоте, например в экотопах, загрязненных радионуклидами [1—4]. В воздушной среде меланинсодержа-щих спор грибов больше, чем в почве [5]. Экспериментально показано, что темноокрашенные споры многих грибов устойчивы к УФ-облуче-нию [6, 7]. Наличие меланиновых пигментов обеспечивает спорам высокий процент выживания при жестком УФ-облучении, в то время как
непигментированные формы полностью погибают в течение нескольких минут. Сильно мелани-зированы микроколониальные дрожжеподобные грибы, растущие на камнях в условиях резких перепадов температуры, высокой инсоляции, засухи и низких концентраций органических веществ [8—10]. Жизнеспособные клетки этих грибов были обнаружены в Антарктиде [11, 12]. Генетический анализ микроколониальных меланизированных грибов, растущих на поверхности камней, позволил отнести многие из них к классам Dothideo-mycetes (включая Eurotiomycetes) и родственному им Arthoniomycetes. Среди них идентифицированы Capnodiales (представители семейства Tera-tosphaeriaceae), Dothideales, Pleosporales, Myrian-gialis, а также некоторые неидентифицированные группы, родственные Dothideomycetes [13]. В суровых условиях Антарктиды обитающие в трещинах камней микроскопические грибы Cryomyces antarc-ticus и Cryomyces minteri показали высокую устойчивость к УФ-облучению (280—360 нм, 3 W/м2), выдерживая его в течение нескольких часов, тогда как клетки непигментированного Saccharomyces pastorianus погибали через 30 мин облучения [14].
В естественных условиях грибы-экстремофи-лы часто образуют сообщества с бактериями, водорослями, растениями [15—16]. Более 80% эндо-фитных грибов, существующих в сообществе с травянистым растением Антарктиды Deschampsia antarctica Desv. (Poaceae) продуцировали меланиновые пигменты [17]. Эти данные согласуются с ранее высказанными замечаниями о преимуще-
ствах меланизированных грибов в условиях высокой инсоляции, засухи и низких температур.
Меланизированные грибы проявляют также повышенную устойчивость к высоким концентрациям солей. Hortaea werneckii, Phaeotheca triangularis, Trimmatostroma salinum, Aureobasidium pul-lulans и Cladosporium spp. обитают в солеварнях и выдерживают концентрации поваренной соли, близкие к насыщающим [18]. Для некоторых видов из этих грибов (H. werneckii, P. triangularis, T. salinum) гипертонические растворы поваренной соли являются их природной средой обитания [19]. Предполагают, что у H. werneckii наличие меланинов в клеточной оболочке снижает поступление поваренной соли в клетку [19].
Присутствие меланинов обеспечивает выживание микроскопических грибов в условиях техногенных загрязнений. В промышленных и придорожных зонах наблюдалось увеличение доли темноокрашенных меланинсодержащих грибов, более устойчивых к загрязнению городских территорий тяжелыми металлами и непредельными углеводородами [20, 21]. В городских условиях в пробах снега и воздуха преобладали представители родов Cladosporium и Alternaria [22, 23].
Загрязнение радионуклидами приводило к изменению грибного сообщества, повышению доли меланизированных грибов и снижению разнообразия видов [3, 4, 24]. Наибольшее распространение в загрязненной радионуклидами зоне получили виды Cladosporium, Ulocladium, Stachybotris, Humicola. Широко представлены виды Cladosporium sphaerospermum, C. herbarum, C. cladosporioides, Alternaria alternata, Aureobasidium pullulans [3, 25]. Меланизированные грибы, в основном Cladosporium spp., A. alternata, A. pululans, Hormoconis resi-nae, были обнаружены даже в помещении разрушенного реактора в Чернобыле [25]. Присутствие меланинов было показано также у светлоокрашенных грибов, распространенных в зоне Чернобыльской атомной электростанции, — A. versicolor и Purpureocillium lilacinum (Paecilomyces lilacinus — по старой классификации) [26, 27]. Последний наряду с Chaetomium aureum признан биоиндикатором радиоактивного загрязнения почвы в пределах 3.7 х 106—3.7 х 108 Бк/кг [3]. У штаммов P. lilacinum из загрязненных радионуклидами территорий содержание меланинов было в 2—2.5 раза выше, чем у родственных штаммов из областей с фоновым уровнем радиоактивности [26, 28]. Распространение меланизированных грибов в зонах с повышенным уровнем радиации несомненно отражает их преимущество перед светлоокрашенными видами грибов, однако большинство основных
механизмов радиорезистентности живых организмов в настоящее время не установлены [29].
Многие из меланизированных грибов, приспособленных к существованию в экстремальных условиях, филогенетически схожи с патогенными меланизированными грибами, выдерживающими атаку АФК в клетках хозяина [30]. Меланизированные условно-патогенные грибы приспособились к существованию в посудомоечных машинах, выдерживая повышенную температуру и присутствие детергентов [31]. Наиболее часто (до 56% от обнаруженной микобиоты) в посудомоечных машинах встречаются меланизированные дрожжи Exophiala dermatitidis и E. phaeomuriformis (Chaetothyriales), способные вызывать системные заболевания у человека. По-видимому, высокая температура, повышенная влажность и щелочная среда в посудомоечных машинах обеспечили этим патогенным грибам альтернативное местообитание.
Наличие меланинов у патогенных грибов может оказывать существенное влияние на развитие болезни. Так, показано, что у меланизированных штаммов Cryptococcus neoformans [32, 33] и E. der-matitidis [34, 35] вирулентность была значительно выше, чем у немеланизированных. Штаммы Aspergillus fumigatus с содержащими меланин конидиями также проявляли более высокую вирулентность, что связано с участием этих пигментов в защите спор патогена от окислительного стресса, вызываемого АФК лейкоцитов хозяина [36—39]. Меланины могут быть также иммуно-модуляторами, снижая способность иммунных клеток хозяина реагировать на присутствие возбудителя (A. fumigatus и E. dermatitidis) [35, 40, 41]. У A. alternata мутационные повреждения генов синтеза меланина влияло на развитие конидий и их устойчивость к УФ-излучению [42]. Меланин у возбудителя пирикуляриоза риса Mag-naporthe grisea необходим как антиоксидант, защищающий гриб от АФК растения [43, 44]. Ловастатин ингибировал синтез меланинов у фитопатогенных грибов M. grisea, Stagonospora nodorum, Colletotrichum atramentarium и Bipolaris so-rokiniana, что снижало вирулентность грибов и позволило рекомендовать ловастатин в качестве фунгицида непрямого действия [45].
Меланины являются одним из определяющих факторов патогенеза у Gaeumannomyces graminis, возбудителя корневой гнили злаковых. Изоляты, не синтезирующие меланин, могли колонизировать корни злаковых растений, но при этом каких-либо видимых симптомов заболевания у растения не наблюдалось [46]. Отсутствие меланино-
вых пигментов у мутантных штаммов Alternaria brassicicola не только вызывало изменение окраски и повышало чувствительность к УФ-излуче-нию, но и снижало резистентность к действию протеолитических и гликолитических ферментов [47]. Меланины защищали Rhizoctonia solani от бактериального лизиса [48]. Трансформация эн-томопатогенного гриба Metarhizium anisopliae с помощью генов синтеза меланина, повышала эффективность применения этого гриба против личинок капустной моли (Plutella xylostella) [49].
Локализация меланинов у грибов. Меланино-вые пигменты у грибов могут обнаруживаться в клеточной стенке или секретироваться в окружающую среду. При микроскопических исследованиях меланины видны как темная субстанция в составе клеточной стенки [19, 50]. Исследование микроструктуры меланинов, ассоциированных с клеточной стенкой C. neoformans, показало, что она представлена множеством слоев из сферических гранул (50—80 нм в диаметре), расположенных под полисахаридной капсулой и примыкающих к плазматической мембране [54]. У гало-фильного гриба H. werneckii при оптимальной концентрации соли (0.86 M NaCl) темный мела-низированный слой представляет собой наружную часть клеточной стенки, а при возрастании концентрации соли меланизирована вся клеточная стенка [19]. Темные гранулы меланина обнаруживаются в фибриллярном матриксе на поверхности клеточной стенки у A. pullulans, Verticil-lium dahliae, Phomopsis sp. [51]. В присутствии предшественника меланина 3,4-дигидроксифе-нилаланина (ДОФА) на поверхности конидий и дрожжевых клеток диморфных патогенных грибов Histoplasma capsulatum и Blastomyces dermatiti-dis об
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.