Войти
Автоиндукторы - это сигнальные молекулы, которые производятся в ответ на изменения в плотность популяции клеток. По мере увеличения плотности кворум-чувствительных бактериальных клеток увеличивается и концентрация аутоиндуктора. Обнаружение сигнальных молекул бактериями действует как стимуляция, которая приводит к изменению экспрессии генов при достижении минимального порога. Чувство кворума - это явление, которое позволяет как грамотрицательным, так и грамположительным бактериям ощущать друг друга и регулировать широкий спектр физиологической активности. Такие активности включают симбиоз, вирулентность, подвижность, выработку антибиотика и образование биопленки. Аутоиндукторы бывают разных форм в зависимости от вида, но эффект, который они оказывают, во многих случаях схож. Аутоиндукторы позволяют бактериям общаться как внутри, так и между разными видами. Эта коммуникация изменяет экспрессию гена и позволяет бактериям создавать скоординированные ответы на окружающую их среду способом, который сравним с поведением и передачей сигналов в высших организмах. Неудивительно, что было высказано предположение, что восприятие кворума могло быть важной вехой эволюции, которая в конечном итоге привела к появлению многоклеточных форм жизни.
Термин «аутоиндукция» впервые был введен в 1970 году, когда было обнаружено, что биолюминесцентная морская бактерия Vibrio fischeri продуцировал люминесцентный фермент (люциферазу ) только тогда, когда культуры достигли пороговой плотности популяции. При низких концентрациях клеток V. fischeri не экспрессировал ген люциферазы. Однако, как только культуры достигли фазы экспоненциального роста, ген люциферазы быстро активировался. Это явление было названо «аутоиндукцией», потому что в нем участвует молекула (аутоиндуктор), которая накапливается в среде для выращивания и индуцирует синтез компонентов системы люминесценции. Последующие исследования показали, что фактический аутоиндуктор, используемый V. fischeri, представляет собой ацилированную сигнальную молекулу гомосеринлактон (AHL).
В наиболее упрощенных системах определения кворума бактериям требуется только два компонента, чтобы использовать аутоиндукторы. Им нужен способ произвести сигнал и способ ответить на этот сигнал. Эти клеточные процессы часто тесно скоординированы и включают изменения в экспрессии генов. Производство аутоиндукторов обычно увеличивается по мере увеличения плотности бактериальных клеток. Большинство сигналов вырабатываются внутриклеточно и впоследствии секретируются во внеклеточную среду. Обнаружение аутоиндукторов часто включает диффузию обратно в клетки и связывание со специфическими рецепторами. Обычно связывание аутоиндукторов с рецепторами не происходит до тех пор, пока не будет достигнута пороговая концентрация аутоиндукторов. Как только это произошло, связанные рецепторы прямо или косвенно изменяют экспрессию генов. Некоторые рецепторы сами являются факторами транскрипции, в то время как другие передают сигналы нижестоящим факторам транскрипции. Во многих случаях аутоиндукторы участвуют в контурах прямой обратной связи, в результате чего небольшая начальная концентрация аутоиндуктора усиливает производство того же химического сигнала до гораздо более высоких уровней.
В первую очередь продуцируются грамотрицательными бактериями, ацилированные лактоны гомосерина (AHL) представляют собой класс небольших нейтральных липидных молекул, состоящих из гомосеринового лактонового кольца. с ацильной цепью. AHL, продуцируемые разными видами грамотрицательных бактерий, различаются по длине и составу ацильной боковой цепи, которая часто содержит от 4 до 18 атомов углерода. AHL синтезируются AHL-синтазами. Они диффундируют в клетки и из них с помощью механизмов пассивного транспорта и активного транспорта. Рецепторы для AHL включают ряд регуляторов транскрипции, называемых «R-белками», которые функционируют как ДНК-связывающие факторы транскрипции или сенсорные киназы.
грамположительные бактерии, которые участвуют в распознавании кворума, обычно используют секретированные олигопептиды как аутоиндукторы. Аутоиндукторы пептидов обычно возникают в результате посттрансляционной модификации более крупной молекулы-предшественника. У многих грамположительных бактерий секреция пептидов требует специальных механизмов экспорта. Например, некоторые пептидные аутоиндукторы секретируются АТФ-связывающими кассетными переносчиками, которые сочетают протеолитический процессинг и клеточный экспорт. После секреции пептидные аутоиндукторы накапливаются во внеклеточной среде. При достижении порогового уровня сигнала белок гистидиновой сенсорной киназы двухкомпонентной регуляторной системы обнаруживает его, и сигнал передается в клетку. Как и в случае с AHL, сигнал в конечном итоге приводит к изменению экспрессии генов. Однако, в отличие от некоторых AHL, большинство олигопептидов не действуют как факторы транскрипции.
Свободноживущая биолюминесцентная морская бактерия Vibrio harveyi использует другую сигнальную молекулу в дополнение к ацилированному гомосериновому лактону. Эта молекула, обозначенная аутоиндуктором-2 (или AI-2), представляет собой диэфир фуранозилбората. AI-2, который также продуцируется и используется рядом грамотрицательных и грамположительных бактерий, считается эволюционным звеном между двумя основными типами цепей распознавания кворума.
Как уже упоминалось, грамотрицательные бактерии в первую очередь используют ацилированные лактоны гомосерина (AHL) в качестве молекул аутоиндукторов. Схема минимального кворума у грамотрицательных бактерий состоит из белка, который синтезирует AHL, и второго, другого белка, который обнаруживает его и вызывает изменение экспрессии генов. Эти два таких белка, впервые идентифицированные у V. fischeri, являются LuxI и LuxR соответственно. Другие грамотрицательные бактерии используют LuxI-подобные и LuxR-подобные белки (гомологи ), что свидетельствует о высокой степени эволюционной консервативности. Однако, среди грамотрицательных, схема типа LuxI / LuxI была модифицирована у разных видов. Более подробно описанные ниже, эти модификации отражают бактериальную адаптацию к росту и реагированию на определенные нише среды.
Экологически, Известно, что V. fischeri имеет симбиотические ассоциации с рядом эукариотических хозяев, включая гавайского бобтейла-кальмара (Euprymna scolopes ). В этих отношениях кальмар-хозяин поддерживает бактерии в специализированных световых органах. Хозяин обеспечивает безопасную, богатую питательными веществами среду для бактерий, а бактерии, в свою очередь, излучают свет. Хотя биолюминесценция может использоваться для спаривания и других целей, у E. scolopes она используется для встречного освещения, чтобы избежать нападения хищников.
Молекула автоиндуктора, используемая V. fischeri, представляет собой N- (3 -оксогексаноил) -гомосерин-лактон. Эта молекула продуцируется в цитоплазме ферментом LuxI-синтаза и секретируется через клеточную мембрану во внеклеточную среду. Как и в случае с большинством аутоиндукторов, концентрация N- (3-оксогексаноил) гомосерин-лактона в окружающей среде такая же, как внутриклеточная концентрация в каждой клетке. Лактон N- (3-оксогексаноил) гомосерина в конечном итоге диффундирует обратно в клетки, где он распознается LuxR, как только достигается пороговая концентрация (~ 10 мкг / мл). LuxR связывает аутоиндуктор и напрямую активирует транскрипцию оперона luxICDABE. Это приводит к экспоненциальному увеличению как продукции аутоиндуктора, так и биолюминесценции. LuxR, связанный аутоиндуктором, также подавляет экспрессию luxR, который, как считается, обеспечивает механизм отрицательной обратной связи компенсатор для жесткого контроля уровней генов биолюминесценции.
Стр. aeruginosa представляет собой оппортунистический патоген человека, связанный с кистозным фиброзом. При инфекциях, вызванных P. aeruginosa, определение кворума имеет решающее значение для образования биопленок и патогенности. P. aeruginosa содержит две пары гомологов LuxI / LuxR, LasI / LasR и RhlI, RhlR. LasI и RhlI представляют собой синтазные ферменты, которые катализируют синтез N- (3-оксододеканоил) гомосеринлактон и N- (бутирил) -гомосеринлактон, соответственно. Цепи LasI / LasR и RhlI / RhlR действуют в тандеме, регулируя экспрессию ряда генов вирулентности. При пороговой концентрации LasR связывает N- (3-оксододеканоил) -гомосериновый лактон. Вместе этот связанный комплекс способствует экспрессии факторов вирулентности, которые ответственны за ранние стадии инфекционного процесса.
LasR, связанный своим аутоиндуктором, также активирует экспрессию системы RhlI / RhlR у P. aeruginosa. Это вызывает экспрессию RhlR, который затем связывает свой аутоиндуктор, N- (бутрил) -гомосерин-лактон. В свою очередь, связанный с аутоиндуктором RhlR активирует второй класс генов, участвующих в более поздних стадиях инфекции, включая гены, необходимые для продукции антибиотиков. Предположительно, производство антибиотиков P. aeruginosa используется для предотвращения оппортунистических инфекций, вызываемых другими видами бактерий. Лактон N- (3-оксододеканоил) гомосерина предотвращает связывание между лактоном N- (бутрил) гомосерина и его родственным регулятором, RhlR. Считается, что этот механизм контроля позволяет P. aeruginosa последовательно и в соответствующем порядке инициировать каскады распознавания кворума, так что может наступить правильный цикл инфекции.
В то время как грамотрицательные бактерии в основном используют ацилированные лактоны гомосерина, грамотрицательные бактерии -положительные бактерии обычно используют олигопептиды в качестве аутоиндукторов для определения кворума. Эти молекулы часто синтезируются в виде более крупных полипептидов, которые посттрансляционно расщепляются с образованием «процессированных» пептидов. В отличие от AHL, которые могут свободно диффундировать через клеточные мембраны, пептидным аутоиндукторам обычно требуются специальные транспортные механизмы (часто ABC-транспортеры). Кроме того, они не могут свободно диффундировать обратно в клетки, поэтому бактерии, которые их используют, должны иметь механизмы для их обнаружения во внеклеточной среде. Большинство грамположительных бактерий используют двухкомпонентный сигнальный механизм для определения кворума. Аутоиндукторы секретируемых пептидов накапливаются в зависимости от плотности клеток. Как только достигается кворумный уровень аутоиндуктора, его взаимодействие с сенсорной киназой на клеточной мембране инициирует серию событий фосфорилирования, которые завершаются внутриклеточным фосфорилированием регуляторного белка. Этот белок-регулятор впоследствии действует как фактор транскрипции и изменяет экспрессию генов. Подобно грамотрицательным бактериям, система аутоиндукции и кворума у грамположительных бактерий сохранена, но, опять же, отдельные виды адаптировали определенные аспекты для выживания и общения в уникальных нишевых условиях.
S. pneumoniae - патогенная бактерия человека, в которой процесс генетической трансформации был впервые описан в 1930-х годах. Для того чтобы бактерия могла захватить экзогенную ДНК из своего окружения, она должна стать компетентной. У S. pneumoniae должен произойти ряд сложных событий для достижения компетентного состояния, но считается, что определение кворума играет роль. Пептид, стимулирующий компетентность (CSP), представляет собой аутоиндуктор пептида из 17 аминокислот, необходимый для компетентности и последующей генетической трансформации. CSP продуцируется протеолитическим расщеплением пептида-предшественника из 41 аминокислоты (ComC); секретируется транспортером ABC (ComAB); и обнаруживается белком сенсорной киназы (ComD), когда он достигает пороговой концентрации. За детектированием следует аутофосфорилирование ComD, которое, в свою очередь, фосфорилирует ComE. ComE - это регулятор ответа, ответственный за активацию транскрипции comX, продукт которого необходим для активации транскрипции ряда других генов, участвующих в развитии компетентности.
B. subtilis - это обитающий в почве микроб, который использует определение кворума для регулирования двух различных биологических процессов: компетентности и споруляции. Во время стационарной фазы роста, когда B. subtilis имеют высокую плотность клеток, приблизительно 10% клеток в популяции становятся компетентными. Считается, что эта субпопуляция становится компетентной для поглощения ДНК, которая потенциально может быть использована для восстановления поврежденных (мутировавших) хромосом. ComX (также известный как фактор компетентности) представляет собой пептид из 10 аминокислот, который процессируется из предшественника пептида из 55 аминокислот. Как и большинство аутоиндукторов, ComX секретируется и накапливается в зависимости от плотности клеток. После достижения порогового внеклеточного уровня ComX обнаруживается двухкомпонентной парой сенсорной киназы ComP / ComA / регулятор ответа. Фосфорилирование ComA активирует экспрессию гена comS, ComS ингибирует деградацию ComK и, наконец, ComK активирует экспрессию ряда генов, необходимых для компетентности.
Споруляция, с другой стороны, является физиологической реакцией B. subtilis к истощению питательных веществ в определенной среде. Он также регулируется внеклеточной передачей сигналов. Когда популяции B. subtilis чувствуют ухудшение состояния, они реагируют асимметричным делением клеток. В конечном итоге это приводит к образованию спор, приспособленных к распространению и выживанию в неблагоприятных условиях. Споруляция у B. subtilis опосредуется CSF (фактором споруляции), пентапептидом, отщепленным от пептида-предшественника PhrC. CSF секретируется во внеклеточную среду и снова попадает в клетки через ABC-транспортер Opp, где действует внутриклеточно. В то время как низкие внутренние концентрации CSF способствуют компетентности, высокие концентрации вызывают споруляцию. CSF ингибирует фосфатазу RabB, которая увеличивает активность Spo0A, способствуя переключению приверженности с компетентности на путь споруляции
