ГЕНЕТИКА, 2010, том 46, № 2, с. 149-158
ОБЗОРНЫЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СТАТЬИ
УДК 577.218:579.841.11
Quorum Sensing РЕГУЛЯЦИЯ У ПСЕВДОМОНАД
© 2010 г. М. А. Веселова
Институт молекулярной генетики Российской академии наук, Москва 123182;
e-mail: khmel@img.ras.ru Поступила в редакцию 09.06.2009 г.
Экспрессия большого количества генов бактерий регулируется в зависимости от плотности популяции с помощью маленьких сигнальных молекул, аутоиндукторов; этот тип регуляции называют Quorum Sensing (QS). У грамотрицательных бактерий наиболее изученными QS-системами являются системы, функционирующие с участием сигнальных молекул N-ацил-гомосеринлактонов. С помощью QS бактерии регулируют экспрессию различных генов, в том числе отвечающих за продукцию факторов вирулентности, синтез экзоферментов, антибиотиков, антагонистические свойства бактерий и др. QS-системы бактерий рода Pseudomonas связаны с другими клеточными глобальными регуляторными сетями, в контроле их функционирования принимают участие множество дополнительных регуляторных факторов. Вместе с QS-системами такие регуляторы представляют сложную, многофакторную каскадную регуляторную сеть. В обзоре рассмотрены QS-системы различных видов псевдомонад, их взаимодействие с другими регуляторными системами и участие в регуляции клеточных процессов.
Бактерии способны чувствовать повышение плотности популяции и отвечать на него быстро и скоординированно индукцией определенных наборов генов. Этот тип регуляции получил название Quorum Sensing (QS). QS-регуляция основана на действии низкомолекулярных сигнальных молекул различной природы, аутоиндукторов (АИ), которые легко диффундируют через клеточную стенку и накапливаются в культуре при высоких плотностях популяции бактерий. Достигнув пороговой концентрации, сигнальные молекулы взаимодействуют с рецепторными регуляторны-ми белками, что приводит к индукции экспрессии определенных наборов генов.
У грамотрицательных бактерий лучше всего изучены QS-системы, функционирующие с участием АИ N-ацил-гомосеринлактонов (АГЛ). Такие системы идентифицированы у более чем 30 видов грамотрицательных бактерий, впервые они были изучены у морских бактерий Vibrio fischeri. QS-системы включают два белка, гомологичных LuxR и LuxI белкам V. fischeri'. рецепторный белок и синтазу АГЛ, соответственно. Используя QS-механизм, грамотрицательные бактерии регулируют экспрессию генов в зависимости от плотности популяции [1—3].
Бактерии рода Pseudomonas — грамотрицатель-ные бактерии, широко распространенные в природе благодаря способности усваивать самые разнообразные источники питания и расти в различных экологических условиях [4]. Среди псевдомонад активно изучают QS-регуляцию у оппортунистического патогена человека P. aeruginosa, патогенов растений (например, P. syringae),
ризосферных бактерий, ассоциированных с растениями; эти бактерии являются антагонистами фитопатогенных микроорганизмов (P. fuorescens, P. putida, P. chlororaphis и др.).
QS-СИСТЕМЫ P. aeruginosa
P. aeruginosa, оппортунистический патоген человека, животных и растений, может быть выделен также из почвы и воды. У человека P. aeruginosa способен вызывать тяжелые инфекции дыхательных путей. QS-системы P. aeruginosa контролируют экспрессию внеклеточных факторов вирулентности, таких как экзоферменты (эластаза, щелочная протеаза и др.), вторичные метаболиты (пиоцианин, цианид водорода, пиовердин и др.) и токсины (экзотоксин А), а также образование биопленки. У P. aeruginosa найдены две QS-системы LuxI-LuxR-типа: LasI—LasR и RhlI—RhlR. LasI-синтаза отвечает за продукцию аутоиндуктора ^(З-оксо-додеканоил)-гомосе-ринлактона (3ОС12-ГЛ), RhlI является синтазой N-бутаноил-гомосеринлактона (С4-ГЛ) [5].
LasI—LasR и RhlI—RhlR системы регуляции
Системы QS-регуляции P. aeruginosa функционируют следующим образом (рисунок). Ген lasR экспрессируется в зависимости от фазы роста, увеличение его экспрессии происходит при переходе клеток к стационарной фазе. При достижении высокой клеточной плотности происходит увеличение концентрации молекул АГЛ, образуется комплекс рецепторный белок LasR—
\ lasR ~~1—
3ОС,2-ГЛ
О Ö
Rhl-регулон:
пиоцианин, рамнолипиды, лектин и др.
—| rhlR I—
J_f
\ rhlI "I—
Las-регулон: эластазы, токсин А, (Rhll) экзопротеаза, пиовердин и др.
-о—
о о
о.
о
С4-ГЛ
Схема QS-регуляции у Pseudomonas aeruginosa.
3ОС12-ГЛ. Этот комплекс активирует транскрипцию гена lasI, что приводит к увеличению синтеза 3ОС12-ГЛ, транскрипцию генов—мишеней, определяющих продукцию факторов вирулентности: экзотоксина А (toxA), ферментов эластазы (lasB), протеазы (lasA), щелочной фосфатазы (aprA) и др.; las QS-система вовлечена также в формирование биопленок. Комплекс LasR—3OC12-rn активирует транскрипцию гена рецепторного регуля-торного белка rhlR. Комплекс RhlR—С^ГЛ контролирует работу второй QS-системы, индуцирует экспрессию гена rhlI, генов, участвующих в синтезе антибиотика пиоцианина, рам-нолипидов, гена lecA, кодирующего цитотоксиче-ский лектин, и др. [5].
При низких клеточных плотностях 3ОС12-ГЛ конкурентно связывается с RhlR, что позволяет las QS-системе осуществлять контроль за rhl QS-системой и последовательный запуск двух QS-си-стем. Рецепторные белки LasR и RhlR связываются с консервативными палиндромными последовательностями в промоторных областях генов, контролируемых QS-системами, las-rhl-бокса-ми, сходными с lux-боксами V. fischeri. las-rhl-боксы локализованы на расстоянии от —40 до —50 относительно старта транскрипции генов мишеней; с этими последовательностями могут связываться или LasR, или RhlR, или оба регулятора [6]. Белок LasR образует мультимеры и связывается с las-боксами только в присутствии 3ОС12-ГЛ [7], RhlR димеризуется и связывается с ДНК и в присутствии С4-ГЛ (в этом случае он действует как активатор), и в отсутствие С4-ГЛ (действует как репрессор) [8].
Свободноживущие бактерии обычно адаптируются к изменяющимся условиям окружающей среды, изменяя экспрессию определенных генов. Существование в популяции обеспечивает виду
дополнительные механизмы адаптации, при этом важную роль играет QS-регуляция.
QS-система P. aeruginosa участвует в формировании биопленок — физических структур, образуемых связанными с поверхностями микробными сообществами. Образование биопленок является одной из основных стратегий, повышающих выживание бактерий в окружающей среде, в том числе в организме-хозяине. Способность бактерий существовать в составе биопленок создает большие трудности для медицинской практики, так как при этом значительно повышается устойчивость бактерий к действию антибактериальных препаратов, а также к воздействию дезинфектан-тов, неблагоприятных факторов среды и действию иммунной защиты организма-хозяина [9].
Еще одним примером мультиклеточного поведения бактерий, в регуляции которого участвует QS, является сворминг (swarming) — один из шести описанных в научной литературе способов миграции бактерий по поверхностям сред. При сворминге движение клеток осуществляется с помощью перитрихиальных жгутиков, которые действуют подобно пропеллеру вертолета [10].
QS является глобальной регулирующей системой в P. aeruginosa, она контролирует экспрессию приблизительно 5% генов (полный геном состоит из 6000 генов), включая наиболее важные гены вирулентности [11].
Регуляция с участием PQS
В QS-системе P. aeruginosa принимает участие еще один вид АИ, не принадлежащий к гомосе-ринлактонам, 2-гептил-3-гидроокси-4-хинолон, названный PQS (Pseudomonas Quinolone Signal). PQS принадлежит к 2-алкил-4-хинолонам (AQs). AQs являются вторичными метаболитами, которые способны ингибировать рост бактерий, водо-
рослей, фитопланктона, обладают способностью связывать железо, имунномодуляторной активностью, могут функционировать как сигнальные молекулы [12].
Синтез PQS зависит от локуса pqsABCDE, который является ответственным за продукцию множества 4-хинолонов, включая продукцию 2-гептил-4-хинолона (HHQ), непосредственного предшественника PQS. С помощью PqsH, предполагаемой монооксигеназы, HHQ превращается в PQS. Экспрессия гена pqsH находится под контролем LasR, что обеспечивает связь между las QS-системой и PQS. PQS осуществляет контроль своей собственной продукции, взаимодействуя с регуляторным белком PqsR, который регулирует экспрессию опе-ронаpqsABCDE, связываясь с промотором генаpqsA. Мембранный белок PqsR (или MvfR, Multiple virulence factor Regulator) действует как транскрипционный активатор до тех пор, пока клетки не достигнут стационарной фазы роста. Транскрипция гена pqsR активируется белком LasR и негативно регулируется RhlR, что также обеспечивает связь между QS-системами и PQS. PQS участвует в регуляции экспрессии генов P. aeruginosa при переходе клеток к стационарной фазе роста и во время стационарной фазы; играет важную роль в патогенности P. aeruginosa, принимает участие в регуляции продукции эластазы, рамнолипидов, пиоцианина, лектина, участвует в контроле образования биопленки [13].
Регуляция QS-систем P. aeruginosa дополнительными факторами
QS-системы P. aeruginosa связаны с другими клеточными глобальными регуляторными системами. В их контроле принимает участие множество дополнительных факторов, действующих, как правило, в зависимости от фазы роста или при изменении условий окружающей среды, в дополнение к изменению (повышению) плотности популяции, на которые отвечает QS. Далее будут рассмотрены некоторые регуляторные белки, вовлеченные в этот контроль.
Ген qscR кодирует гомолог рецепторных белков LasR и RhlR, однако никаких дополнительных синтаз, гомологов LasI и RhlI, обнаружено не было. QscR регулирует работу QS-системы в зависимости от фазы роста, предотвращает раннюю экспрессию QS-контролируемых генов, репрессируя во время логарифмической фазы роста транскрипцию гена lasI. При низкой концентрации АГЛ белок QscR образует мультимеры; он способен образовать олигомеры, ассоциированные или с 3ОС12-ГЛ, или с С4-ГЛ, и гетеродимеры с белками LasR и RhlR [14]. Синтез QscR регулируется с участием белка GacA двухкомпонентной системы регуляции GacS/GacA. QscR воздействует на тр
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.