Кворум-зависимые системы регуляции экспрессии грамотрицательных бактерий

ВВЕДЕНИЕ
В естественных условиях бактерии обычно существуют в составе сложных прокариотических сообществ, где они находятся в постоянном взаимодействии – как конкурентном, так и кооперативном – с другими микроорганизмами. Жизнь в таких условиях способствовала возникновению специальных систем обмена информацией, которые бактерии используют для контактов с клетками своего вида, а также для межвидовых и даже междоменных взаимодействий. [Atkinson, Williams, с. 959].
Одним из наиболее изученных способов бактериального межклеточного сигналинга является чувство кворума (quorum-sensing, QS). Чувство кворума – это процесс межклеточной коммуникации, который обеспечивает скоординированную изменение экспрессии генов в ответ на изменения плотности бактериальной популяции. В основе такого типа регуляции лежит способность бактерий производить, секретировать и распознавать специальные сигнальные молекулы – аутоиндукторы. Концентрация аутоиндуктора, прямо зависящая от численности клеток в окружающей среде, воспринимается ими как сигнал к активации и/или супрессии экспрессии определенных генов [Papenfort, Bassler, с. 576].
Хотя чувство кворума обнаружено у самых разных групп бактерий, наиболее изученными являются кворум-зависимые системы грамотрицательных бактерий – обширной и разнородной группы прокариотических микроорганизмов, имеющих наружную и внутреннюю мембрану с периплазматическим пространством между ними, а также специфический химический состав клеточной стенки [Лысак, с. 43-44].
Показано, что у грамотрицательных бактерий кворум-зависимые системы участвуют в регуляции десятков самых разнообразных клеточных процессов, многие из которых имеют важное значение для человека. [Henke, Bassler, с. 648]. Например, под контролем чувства кворума находится секреция факторов вирулентности и способность к образованию биопленок такими клинически значимыми патогенами, как синегнойная палочка Pseudomonas aeruginosa [Schuster and Greenberg], холерный вибрион Vibrio cholerae [Higgins, Pomianek, Kraml] и др.
Данная работа посвящена обзору известных кворум-зависимых систем регуляции экспрессии генов грамотрицательных бактерий. Актуальность выбранной темы обусловливается тем, что исследования кворум-зависимых систем потенциально имеют большое прикладное значение, например, для лечения хронических бактериальных инфекций. В то же время исследования кворум-зависимых систем дают ответы на фундаментальные вопросы о природе и возможностях межклеточного сигналинга у прокариот.
Объектом исследования является регуляция генной экспрессии грамотрицательных бактерий, а предметом исследования - кворум-зависимые системы регуляции микроорганизмов этого типа.
Цель настоящей работы состоит в анализе известных кворум-зависимых систем регуляции генной экспрессии грамотрицательных бактерий. Для достижения поставленной цели нами были сформулированы следующие задачи:
1) Изучить научную литературу, посвященную кворум-зависимым системам регуляции генной экспрессии бактерий
2) Рассмотреть историю изучения кворум-зависимых систем регуляции экспрессии и основные направления их исследований, актуальные на сегодняшний день
3) Описать кворум-зависимые системы регуляции экспрессии грамотрицательных бактерий и выделить их характерные особенности
ГЛАВА 1. ИСТОРИЯ ИЗУЧЕНИЯ КВОРУМ-ЗАВИСИМЫХ СИСТЕМ РЕГУЛЯЦИИ ЭКСПРЕССИИ ГЕНОВ БАКТЕРИЙ
1.1 Основные этапы развития исследований чувства кворума
В истории изучения бактериального чувства кворума можно условно выделить три этапа. Первый этап, пришедшийся на 1960-1980 годы, является периодом становления данного направления исследований. Именно в эти годы было открыто и изучено само явление чувства кворума, а также показаны общие механизмы работы “каноничных” кворум-зависимых систем регуляции экспрессии.
Первым, кто заговорил о бактериальной коммуникации, был венгерский микробиолог А.Томаш, изучавший в 1960-х годах процесс приобретения компетентности бактериями Streptococcus pneumoniae. Он пытался объяснить возрастание количества компетентов в культуре по экспоненте, причем этот эффект демонстрировал зависимость только от концентрации клеток.
Томаш использовал достаточно простые микробиологические методы: он помещал некомпетентные клетки в фильтрат культуральной жидкости компетентных клеток, наблюдая при этом увеличение скорости трансформации последних. Томаш предположил, что способность к приобретению компетентности регулируется неким химическим веществом, секретируемым S. pneumoniae в среду и действующим только на клетки данного вида. Томаш назвал данное химическое вещество «активатором», выделил его из культуральной жидкости и показал, что в очищенном виде «активатор» индуцирует приобретение клетками компетентности. На основе этого Томаш заключил, что S. pneumoniae используют «активатор» для межклеточной коммуникации [Tomasz, с. 155-157].
Чуть позже, в конце 1960-х - начале 1970-х годов, в США сформировалась группа ученых, занимавшаяся работой люциферазы - фермента, обеспечивающего способность к биолюминесценции - морских бактерий рода Vibrio. Биолюминесценция в культуре клеток V. fischeri подчинялась таким же закономерностям, что и способность к компетентности клеток S. pneumoniae: в свежеинокулированных колбах сперва наблюдалась задержка эмиссии света, а затем, через какое-то время, свечение культуры резко возрастало.
Исследователи Нильсон, Платт и Хастингс предположили, что задержка в свечении происходит из-за инактивации транскрипции гена люциферазы; при этом в ходе фазы роста культуры происходит активация некоего химического фактора, который и запускает быструю и преимущественную транскрипцию люциферазных генов. Это явление они назвали «аутоиндукцией», а искомый химический фактор - «аутоиндуктором». [Nealson, Platt, Hastings, 1970, с. 313-322]. Двумя годами позже, уже на мутантных штаммах V. fischeri, было показано, что данный аутоиндуктор синтезируется самими бактериями и является веществом с низкой молекулярной массой [Eberhard A., 1972].
Эти работы привлекли некоторый интерес научного сообщества, и в 1970-е годы появился ряд статей, посвященных явлению «автоиндукции» у морских люминесцирующих бактерий [Nealson, Hastings, 1979, с. 501-505].
Впервые QS регуляция была обнаружена и описана в начале 70-х годов у светящихся морских бактерий Vibrio fischeri. У этой бактерии способность к биолюминесценции за счет синтеза люциферазы кодируется lux опероном (luxCDABE), и биолюминесценция происходит только при высокой плотности популяции бактерий (до 10¹¹ клеток/мл).
V. fischeri живет в симбиозе с некоторыми морскими животными, в специализированном световом органе животного. В этой симбиотической ассоциации животное – хозяин обеспечивает бактерию богатой питательной средой, а бактерия хозяина – светом. Каждый эукариотический организм использует свет для своих специфических целей. Например, улитка Euprymna scolopes, освещая себя с помощью V. fischeri, не отбрасывает тени при свете луны и звезд, что помогает ей спасаться от врагов. Рыба Monocentris japonicus использует свет для привлечения партнера.
В следующее десятилетие было сделано несколько важных открытий. Во-первых, была установлена химическая структура аутоиндуктора V. fischeri, а также исследованы биохимические пути его синтеза. Аутоиндуктором оказался (N-(-3-оксогексаноил)-L-гомосерин лактон - малая молекула с гомосеринлактоновым кольцом и боковой ацильной цепью [Eberhard et al. 1981, с. 2444].
Во-вторых, были определены гены, ответственные за биолюминесценцию (lux-гены) и выяснен общий механизм работы lux-оперонов. В частности, было показано, что продукты генов luxR и luxI регулируют транскрипцию lux-генов, причем белок luxR работает и как рецпетор для аутоиндуктора и, одновременно, как активатор транскрипции. Белок luxI же является ацилгомосеринлактон-синтазой, то есть ферментом, катализирующим реакцию синтеза аутоиндуктора. [Engebrecht, Nealson, Silverman, 1983; Engebrecht, Silverman, 1984].
С распространением технологии секвенирования, давшей в руки исследователей мощный инструмент сравнительного анализа генов и геномов связан второй этап в истории изучения чувства кворума - этап расширения исследовательского поля. В 1989 году была получена и опубликована полная нуклеотидная последовательность lux-регулона V. fischeri [Baldwin, Devine, Heckel, Lin, Shadel]. После этого стало появляться всё больше работ, показывающих, что системы аутоиндукции, похожие на LuxR/LuxI систему, функционируют и не только в Vibrio spp., но и в других грамотрицательных бактериях. Так, в начале 1990-х годах у Pseudomonas aeruginosa сперва был найден белок LasR, гомологичный LuxR и участвующий в регуляции синтеза эластазы - протеолитического фермента инвазии [Gambello, Iglewsk, с. 3000-3009], а затем и синтаза LasI, гомологичная LuxI и катализирующая продукцию видоспецифичного