научная статья по теме РЕГУЛЯЦИЯ ТИПА QUORUM SENSING У БАКТЕРИЙ СЕМЕЙСТВА ENTEROBACTERIACEAE Биология

Текст научной статьи на тему «РЕГУЛЯЦИЯ ТИПА QUORUM SENSING У БАКТЕРИЙ СЕМЕЙСТВА ENTEROBACTERIACEAE»

ОБЗОРНЫЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СТАТЬИ

УДК 577.218,579.22

РЕГУЛЯЦИЯ ТИПА Quorum Sensing У БАКТЕРИЙ СЕМЕЙСТВА Enterobacteriaceae

© 2014 г. Ю. В. Зайцева, А. А. Попова, И. А. Хмель

Институт молекулярной генетики Российской академии наук, Москва 123182

e-mail: khmel@img.ras.ru Поступила в редакцию 25.09.2013 г.

Бактерии способны чувствовать повышение плотности популяции и отвечать на него скоординированной регуляцией экспрессии определенных наборов генов во всей популяции бактерий. Этот специфический тип регуляции получил название Quorum Sensing (QS). QS системы включают низкомолекулярные сигнальные молекулы различной химической природы и регуляторные белки, с которыми взаимодействуют сигнальные молекулы. QS системы являются глобальными факторами регуляции экспрессии бактериальных генов, они играют важную роль в контроле процессов метаболизма бактерий. В обзоре описаны QS системы бактерий семейства Enterobacteriaceae, функционирующие с участием сигнальных молекул различной природы: N-ацил-гомосеринлактонов, AI-2, AI-3, пептидов, индола. Рассмотрены отличия QS систем этих бактерий от QS систем бактерий других таксономических групп. Приведены данные о роли различных типов QS систем в регуляции клеточных процессов бактерий — их вирулентности, синтезе ферментов, антибиотиков, образовании биопленок, программируемой клеточной смерти и др.

DOI: 10.7868/S0016675814030126

В последние годы внимание многих исследователей, работающих в области изучения регуляции клеточных процессов микроорганизмов, было обращено на Quorum Sensing регуляцию. Quorum Sensing (QS) — это особый тип регуляции экспрессии генов бактерий, функционирующий обычно при высоких плотностях их популяций. QS системы включают по крайней мере два основных компонента: низкомолекулярные сигнальные молекулы (аутоиндукторы) различной природы, диффундирующие из клеток в среду и обратно, и рецепторные регуляторные белки, с которыми взаимодействуют сигнальные молекулы. С помощью сигнальных молекул QS систем происходит межклеточная коммуникация бактерий в популяциях, обеспечивающая скоординированный ответ бактерий на изменение условий среды. Изучение биологической значимости ре-гуляторных систем типа QS показало, что эти системы играют ключевую роль в регуляции большого количества процессов бактериальной клетки. Они участвуют во взаимодействии многих бактерий с высшими организмами, животными и растениями, в регуляции вирулентности бактерий, регуляции экспрессии генов, связанных с синтезом различных экзоферментов, токсинов, антибиотиков и др., в контроле формирования биопленок. Использование транскриптомного и протеомного анализов показало, что QS системы функционируют как глобальные факторы регуляции, т.е. они играют важную роль в контроле большого количества клеточных процессов, от-

носящихся к различным сторонам метаболизма бактерий. Исследование QS систем регуляции, их роли в метаболизме и во взаимодействии бактерий определяет новый подход к изучению поведения бактерий в природных условиях [обзоры 1—7].

Изучение роли QS систем в регуляции процессов взаимодействия патогенных бактерий с эука-риотическим организмом-хозяином вызывает особый интерес. Инфекционный процесс происходит при достижении достаточно больших популяций патогенных бактерий; при этом увеличение концентрации сигнальных молекул в среде приводит к синхронному синтезу факторов вирулентности, вызывающих разрушение тканей организма. Такая стратегия способствует успешному преодолению бактериями иммунного ответа организма-хозяина [8, 9].

Впервые QS регуляция была обнаружена в начале 70-х годов у светящейся симбиотической морской бактерии Vibrio fischeri. У этой бактерии способность к люминесценции за счет синтеза лю-циферазы кодируется lux-опероном (luxCDABE), и биолюминесценция происходит только при высокой плотности популяции бактерий (-1011 клеток/мл). Довольно долго считалось, что QS регуляция — это редкий случай и что она встречается только у светящихся бактерий. Однако в последние годы выяснилось, что этот тип регуляции широко распространен у бактерий различных таксономических групп [2—4, 10, 11].

В настоящем обзоре будут приведены данные о QS регуляции представителей семейства Entero-bacteriaceae. Выяснение особенностей, молекулярных механизмов функционирования QS регуляции и ее роли в контроле клеточного метаболизма бактерий этого семейства представляет большой интерес в связи с важностью изучения этих бактерий, вызывающих различные заболевания человека, животных и растений.

Энтеробактерии (Enterobacteriaceae) — большое семейство грамотрицательных, не образующих споры бактерий, факультативных анаэробов. В семейство энтеробактерий входят более сорока родов и несколько сотен видов микроорганизмов. Энтеробактерии являются одним из основных компонентов кишечной микрофлоры человека и животных; кроме того, средой их обитания могут быть почва, вода, пищевые продукты. Среди эн-теробактерий имеются патогенные, условно-патогенные, сапрофитные виды. К этому семейству относятся одни из самых известных патогенов человека и животных. Они могут вызывать острые диареи различной степени тяжести (Escherichia, Shigella, Salmonella), брюшной тиф, паратиф (Salmonella enterica), чуму (Yersinia pestis), пневмонию, поражение суставов (Klebsiella) и др. Бактерии семейства Enterobacteriaceae включают также важные патогены растений. Среди бактерий рода Erwinia практически все из 15 известных видов являются фитопатогенами, хотя некоторые виды способны вызывать заболевания человека и животных. Внутри рода Erwinia выделяют две группы фито-патогенов: группу бактерий "мягкой гнили" (E. chrysanthemi, E. carotovora ssp. carotovora, E. carotovora ssp. atroseptica) и группу бактерий, вызывающих увядание растений (E. amylovora и E. tracheiphila). Среди представителей рода Pan-toea наиболее значимым патогеном является P. stewartii, возбудитель бактериального увядания кукурузы.

Ряд бактерий семейства Enterobacteriaceae довольно хорошо изучены. Однако еще многое необходимо узнать о природе и эволюции их взаимодействий с организмом хозяина и окружающей средой, генетическом контроле их патогенности. В связи с этим большой интерес вызывает изучение роли QS систем в регуляции этих взаимодействий у энтеробактерий. Ниже будут рассмотрены основные известные QS системы у представителей семейства Enterobacteriaceae.

QS СИСТЕМЫ ТИПА LuxI/LuxR

Функционирование LuxI и LuxR белков;

роль N-ацил-гомосеринлактонов (АГЛ)

Бактерии семейства Enterobacteriaceae содержат QS системы типа LuxI/LuxR, гомологичные наиболее изученной "классической" системе QS

регуляции /ux-оперона Vibrio fischeri (не относящегося к этому семейству). Остановимся кратко на основном принципе и механизме действия QS регуляции этого типа у V. fischeri (рис. 1,a).

Сигнальными молекулами этой и подобных LuxI/LuxR систем (например, у Pseudomonas, Agrobacterium и др.) являются N-ацил-гомосерин-лактоны (АГЛ). АГЛ содержат лактонное кольцо, образованное из гомосерина, и боковые ациль-ные цепи (таблица). Описано более 40 видов АГЛ, различающихся длиной ацильных цепей в молекуле и наличием замещающих группировок (оксо-, гидрокси-). Специфичность действия АГЛ определяется количеством атомов углерода в боковых цепях (от С4 до С16) и присутствием дополнительных группировок. В QS регуляции V. fischeri участвуют два основных регуляторных компонента: 1) белок LuxI — синтаза АГЛ (катализирует синтез АГЛ); 2) LuxR-белок; он образует димер, присоединяет АГЛ, в результате чего изменяется его конфигурация; затем этот комплекс, связываясь с промотором /ux-оперона, активирует его транскрипцию, что приводит к синтезу люцифе-разы и эмиссии света. При увеличении популяции V. fischeri АГЛ накапливаются до порогового уровня, который достаточен для активации LuxR, связывания его с промоторной областью /ux-опе-рона и индукции этого оперона. Комплекс белка LuxR с АГЛ участвует также в негативной регуляции экспрессии гена /uxR, обеспечивая компенсаторный механизм, не допускающий слишком большой экспрессии /ux-оперона. LuxR в комплексе с АГЛ связывается с /ux-боксом промотора /ux-оперона, который представляет собой инвертированный повтор из 20 пн в области промотора PR в позиции —42.5 относительно старта транскрипции. /ux-бокс консервативен у разных бактерий, однако он имеется не во всех QS системах этого типа [обзоры 1—3].

Бактерии Enterobacteriaceae содержат QS системы, функционирующие с участием различных АГЛ. Бактерии рода Erwinia чаще всего синтезируют 3-оксо-С6-ГЛ, они встречаются практически у всех изученных в этом отношении видов и штаммов. У Serratia, Pantoea и Yersinia наиболее распространены С6-ГЛ, 3-оксо-С6-ГЛ и С4-ГЛ (таблица). При этом следует отметить, что различные виды и штаммы одного и того же рода могут иметь более одного гомолога LuxI-синтаз и синтезировать разные АГЛ, часто несколько АГЛ у одного штамма [6, 12—16]. Изучение структуры белка LuxI-типа из Pantoea stewartii (EsaI), катализирующего преимущественно синтез 3-оксо-С6-ГЛ, и других белков LuxI-типа показало, что каждый такой белок обладает ацил-связывающим карманом, который точно соответствует боковой ацильной цепочке синтезируемого АГЛ. Например, EsaI-синтаза имеет гидрофобный карман,

Рис. 1. Схема функционирования систем QS регуляции LuxI/LuxR типа с участием активатора (а, Vibrio fischeri) или репрессора (б, Pantoea stewartii). а — активатор LuxR связывается с ДНК в позиции около —42.5 и инициирует транскрипцию lux-оперона только в присутствии высокой концентрации АГЛ (кружки); б — репрессор остается связанным с ДНК в —10 сайте, пока не будет достигнута достаточно высокая концентрация АГЛ, чтобы нейтрализовать активность репрессора.

который может вместить ацильную группу, содержащую не более шести атомов углерода [17, 18].

Белки ЬихЯ-типа лучше всего взаимодействуют с собственным АГЛ, однако они способны распознавать и другие АГЛ, близкие по строению ацильной цепочки. Рассмотрим, как функционируют белки ЬихЯ-типа бактерий семейства БПего-Ъас1ег1асеае, как они участвуют в регуляции транскрипции, прежде всего в регуляц

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Биология»