QS системы грамотрицательных бактерий LuxI-LuxR типа.

Quorum Sensing системы у бактерий и молекулярные механизмы

Их действия

QS системы грамотрицательных бактерий LuxI-LuxR типа.

У грамотрицательных бактерий лучше всего изучены QS системы, функционирующие с участием аутоиндукторов N-ацил-гомосеринлактонов (AHL, или AI-1). AHL включают гомосеринлактонное кольцо и боковые ацильные группы. Описано более 40 AHL, отличающихся длиной ацильных цепей в молекуле. Специфичность действия AHL определяется количеством ацильных групп (от С4 до С16) и присутствием некоторых дополнительных группировок. AHL, содержащие короткие ацильные цепи, свободно диффундируют через клеточные мембраны; AHL с длинными ацильными цепями для выхода из клеток нуждаются в активном транспорте. AHL взаимодействуют с регуляторными белками, гомологичными LuxR белку Vibrio fischeri, которые составляют семью LuxR – подобных белков. Молекулы этих белков содержат два домена, определяющие связывание белка с AHL и с ДНК. При присоединении AHL изменяется конфигурация LuxR-подобного белка, в результате чего он может связываться с ДНК и функционировать как активатор транскрипции.

В биосинтезе AHL у нескольких изученных в этом отношении бактерий участвует S-аденозил метионин (SAM) (образование гомосеринлактонного кольца) и белок ACP, переносчик ацильных групп.

QS системы, функционирующие с участием AHL, обнаружены у большого количества грамотрицательных бактерий, включающих роды Agrobacterium, Aeromonas, Burkholderia, Chromobacterium, Citrobacter, Enterobacter, Erwinia, Hafnia, Pantoea, Pseudomonas, Ralstonia,Rhodobacter, Rhizobium, Serratia, Vibrio, Yersinia и т. д. Среди них - бактерии, являющиеся патогенными и фитопатогенными.

Наиболее подробно исследована QS регуляция lux оперона Vibrio fischeri. В ней участвуют два основных регуляторных компонента: 1) LuxI белок (синтаза

аутоиндуктора) отвечает за продукцию N-(3-оксогексаноил)- гомосеринлактона (3OC12-HSL); 2) LuxR белок присоединяет аутоиндуктор, и затем комплекс LuxR-3OC12-HSL, связываясь с промотором lux оперона, активирует его транскрипцию, что приводит к синтезу люциферазы и эмиссии света. Когда культура Vibrio fischeri растет, 3OC12-HSL накапливается до порогового уровня, который достаточен для активации LuxR, связывания его с промоторной областью lux оперона и индукции этого оперона. Т.к. ген синтазы аутоиндуктора LuxI входит в состав этого оперона, количество AI в этих условиях резко увеличивается, что приводит к дальнейшей индукции lux оперона и синтезу люциферазы.

Из патогенных бактерий лучше всего изучены QS системы Pseudomonas aeruginosa. В клетках Pseudomonas aeruginosa, оппортунистического патогена человека, вызывающего тяжелые инфекции дыхательных путей, большое количество генов, включая гены, ответственные за синтез факторов вирулентности, активируются двумя QS системами LuxI-LuxR типа: LasI-LasR и RhlI-RhlR. LasI белок отвечает за продукцию аутоиндуктора N-3(оксододеканоил) гомосеринлактона (3OC12-HSL), RhlI белок является синтазой N-бутаноил- гомосеринлактона (C4-HSL), участвует в регуляции образования биопленок. LasI-LasR система регулирует синтез секретируемых факторов вирулентности, ответственных за деструкцию тканей организма–хозяина при инициировании инфекционного процесса: эластазы, кодируемой геном lasB, протеазы, кодируемой lasA, экзотоксина, кодируемого toxA, щелочной фосфатазы, кодируемой геном aprA. LasR-LasI QS система активирует также экспрессию генов второй QS системы P. aeruginosa, RhlI-RhlR, приводя к ее индукции. Комплекс белка RhlR с соответствующим аутоиндуктором C4-HSL индуцирует экспрессию двух генов, регулируемых QS системой первого типа, lasB и aprA, и. еще нескольких генов, важных для вирулентности бактерий и их выживания в природных условиях. Было показано, что экспрессия более 600 генов P. aeruginosa контролируются QS.

Показано, что 3OC12-HSL может оказывать непосредственное действие на организм: молекулы 3OC12-HSL взаимодействуют с компонентами иммунной системы, такими, как интерлейкины, модулируя иммунный ответ организма на инфекцию P. aeruginosa; ингибируют пролиферацию лимфоцитов, дифференциацию T-клеток, продукцию цитокинов, уменьшают продукцию факторов некроза опухолей; инъекции этого соединения индуцировали у мышей воспалительный процесс.

У P. aeruginosa был обнаружен аутоиндуктор иной природы – 2-гептил-3-гидроокси-4-хинолон (названный PQS). PQS частично регулирует экспрессию гена эластазы lasB вместе с двумя описанными выше QS системами. Для экспрессии PQS необходим белок LasR, а PQS, в свою очередь, активирует транскрипцию гена rhlI.

Таким образом, QS системы принимают участие в контроле вирулентности P. aeruginosa в сложной, иерархической сети регуляции.

При микроскопировании легких у больных кистозным фиброзом (CF) было обнаружено, что P. aeruginosa обитает там преимущественно в составе биопленок. Было показано, что клетки P. aeruginosa, несущие lasI мутацию, не формируют зрелых биопленок, образование биопленок останавливается на стадии микроколоний. Эти мутации могли быть комплементированы экзогенным добавлением аутоиндуктора 3OC12-HSL. Исследования, проведенные с P. aeruginosa, показали, что образование биопленок может быть важнейшим фактором колонизации легких этим патогеном.

Другая патогенная бактерия, у которой активно изучается роль QS в регуляции вирулентности, Burkholderia cepacia, содержит CepI-CepR QS систему, участвующую в регуляции факторов патогенности (экзопротеаза, сидерофоры). Синтез аутоиндукторов QS регуляции N-октаноил-гомосеринлактона (C8-HSL) и N-гексаноил-гомосеринлактона (C6-HSL) у этой бактерии очень слабый. Было показано. что в большинстве случаев у больных кистозным фиброзом легкие были инфицированы одновременно B. cepacia и P. aeruginosa. При этом межвидовая коммуникация между этими бактериями могла усиливать патогенность B. cepacia. Так, добавление культуральной жидкости P. aeruginosa к культурам B. cepacia приводило к существенному увеличению экзопротеазной активности и продукции сидерофоров. Это был первый пример, когда бактерия могла регулировать продукцию своих факторов патогенности за СЧЕТ синтеза AI другой бактерией. Изучение подобных особенностей поведения бактерий в природных условиях открывает новые аспекты, важные для эпидемиологии. Действительно, в эпидемиологии не учитываются такие вполне возможные ситуации, когда взаимодействие непатогенных бактерий – продуцентов AHL и слабо патогенных бактерий (или практически непатогенных в данных условиях) может привести к развитию инфекции. Имеющиеся сейчас данные настоятельно ставят вопрос о необходимости серьезных исследований коммуникации различных бактерий в природных условиях и молекулярных механизмов подобной коммуникации.

Дата добавления: 2015-10-23