Основные механизмы «чувства кворума» и их реализация в мультимикробном сообществе.
Успешное функционирование популяций микроорганизмов в естественной среде во многом обусловлено сложной системой межклеточного взаимодействия. Коммуникация подобного рода получила название QuorumSensing (QS). QS является системой координации экспрессии генов и зависит от плотности бактериальной популяции, а её реализация происходит при помощи малых сигнальных молекул. QuorumSensing позволяет бактериям репрезентировать биологически более выгодное поведение в условиях низкой либо высокой плотности клеток.
Системы quorumsensing участвуют в образование биоплёнок, биосинтезеэкзоферментов, токсинов, антибиотиков и других вторичных метаболитов. Первоначально считалось, что QS присуще лишь небольшому числу близкородственных видов рода Vibrio, поскольку данный механизм был впервые описан в 1970 году для бактерии Vibriofisheri. Однако в настоящее время установлено большое число микроорганизмов, обладающих чувством кворума. Cистема QS встречается не только у бактерий, но и у некоторых низших эукариот, таких как дрожжеподобные грибы родов Candida и Cryptococcus.
QS система грамотрицательных бактерий.
Более сотни различных грамотрицательных бактерий осуществляют межклеточное взаимодействие с помощью гомологов Lux генов. В 1990-е годы, когда секвенирование ДНК становится рутинной процедурой, lux гены обращают на себя внимание многих исследователей и становится ясно, что многие виды бактерий контролируют биосинтез экзоферментов и антибиотиков с помощью LuxI/LuxR-подобных систем.
Классическим примером является Vibriofischeri и гены люминесценции luxI и luxR. LuxI кодирует автоиндуктор-синтазу, необходимую для производства N-3оксогексано-L-гомосерин-лактона (3OC6-HSL), а luxR кодирует белок, который является для 3OC6-HSL ответным активатором транскрипции генов lux. (см. рис.)
LuxI катализирует реакции ацилирования и лактонизации между субстратами S- аденозилметионин (SAM) и гексаноил-ACP (acylcarrierprotein – ацилпереносящие белки). Синтезированный 3OC6HSL свободно диффундирует во внеклеточное пространство, и его концентрация возрастает с увеличением плотности популяции бактерий. Затем 3OC6HSL также путём диффузии возвращается в клетку.
LuxR является цитоплазматическим рецептором для 3OC6HSL и одновременно транскрипционным активатором люциферазы оперона luxICDABE. Без лиганда 3OC6HSL белок LuxR нестабилен и быстро разрушается.
Комплекс LuxR-AHL распознаёт консенсусную связывающую последовательность (luxbox) перед опероном luxICDABE и активирует его экспрессию. Гены luxAB кодируют субъединицы люциферазы, а luxCDE кодируют комплекс редуктазы жирных кислот, который производит алифатические альдегиды (субстрат бактериальной люцефиразы).
Экспрессия luxI также активируется комплексом LuxR–3OC6HSL и такой процесс получил название положительной обратной связи, с помощью которой поддерживается QS при высокой клеточной плотности.
Гомологи luxI и luxR были выделены в геномах многих бактерий. Детально изучена система LasI/LasR-RhlI/RhlR (Pseudomonasaeruginosa), которая контролирует экспрессию генов факторов вирулентности и образование биоплёнок.
Система Las регулирует экспрессию множества факторов вирулентности и состоит из двух основных молекул: белок синтазыLasI и транскрипционный белок LasR. LasI вызывает быстрое увеличение синтеза 3-оксо-C12-HSL11 и процесс накопления сигнальных молекул поддерживается за счёт механизма самоиндукции. LasR взаимодействует с 3-оксо-C12-HSL, образующийся комплекс функционирует как фактор транскрипции генов QS, а также таргетных генов факторов вирулентности. Кроме того, Las может ингибиро-вать производство богатого глюкозой экзополисахарида, необходимого для матрикса биоплёнки. Поскольку несколько систем QS Pseudomonasaeruginosa связаны между собой каскадным механизмом, активированный LasR индуцирует транскрипцию rhlR и rhlI и инициирует последующий синтез соответствующих белков.
QS системаграмположительныхбактерий.
Реализация QS у грамположительных микроорганизмов в общем случае представлена системой мембраносвязанных белков, осуществляющих процессы информационной трансдукции. (см. рис.)
В качестве сигнальных молекул в данной системе используются пептиды (AIP). Молекулы пептидов не способны к свободной диффузии через клеточную мембрану, поэтому накопление AIP в экстрацеллюлярном пространстве происходит с помощью активного транспорта. При этом белок- переносчик осуществляет процессинг пептидов-прекурсоров во время транспорта, и в межклеточное пространство попадает уже зрелый AIP.
Концентрация олигопептидныхавтоиндукторов растёт пропорционально увеличивающейся плотности микроорганизмов. Затем, при достижении пороговой концентрации, AIP связываются с рецепторами мембран-ассоциированных гистидинкиназ. Гистидинкиназаспособна проводить АТФ-зависимое автофосфорилирование молекул пептида регулятора ответа, которые находятся в клетке в неактивном состоянии. В ходе фосфорилирования фосфат отщепляется от АТФ и присоединяется к собственному гистидину, а затем переносится на аспартат регулятора ответа. Фосфорилирование активирует пептид регулятора ответа и в таком виде он запускает экспрессию таргетных генов.
Таким образом, мы можем наблюдать работу двухкомпонентной системы сигнальной трансдукции – мембранного сенсора (гистидинкиназы) и белка регулятора ответа.
Классическим примером системы QS грамположительных бактерий является система аксессуарного гена (accessorygeneregulator – Agr) Staphylococcusaureus. Локус Agr включает в себя две транскрипционные единицы. Первая транскрипционная единица RNAII кодирует белки собственно системы QS, тогда как RNAIII содержит таргетные гены (факторы вирулентности и поверхностные протеины). Инициация транскрипции RNAII происходит с помощью промотора P2, а для RNAIII промотором выступает P3. RNAII состоит из следующих генов: AgrB, AgrD, AgrC и AgrA.
AgrB кодирует трансмебранную пептидазу, осуществляющую транспорт во внеклеточное пространство и одновременный процессинг белков-прекурсоровAgrD. В результате во внеклеточном пространсве накапливаются автоиндукторные пептиды (autoinducingpeptide – AIP).
Гены AgrC и AgrA кодируют мембраноссоциированнуюгистидинкиназу и соответствующий ей регулятор ответа. Как уже упоминалось выше, подобная система получила название двухкомпонентной сигнальной трансдукции. ФосфорилированныйAgrA связывается как с промоторной областью RNAII так и с RNAIII.
В заключении хотелось бы сказать, изучение молекулярных механизмов чувства кворума на сегодняшний день, несомненно, остаётся актуальной и востребованной задачей. При этом особенности сложных коммуникационных систем мультимикробного сообщества всё чаще появляются в фокусе внимания ведущих научных сообществ. Высказываются предположения об участии QS в регуляции жизнедеятельности различных микробных сообществ, в том числе желудочно-кишечного тракта. Активно исследуется фундаментальная биология и социальная динамика патогенных микроорганизмов. Выделено и описано большое количество сигнальных молекул, принимающих участие в реализации QS.