Межклеточные коммуникации

НАЦИОНАЛЬНЫЙ  БАНК РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УО “ПОЛЕССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ”

 

 

 

 

 

Реферат на тему:

Межклеточные  коммуникации

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Подготовил: студент 4 курса

Группы 931411

Радковец Станислав

Преподаватель:

Жук О.Н.

 

 

 

 

Пинск 2013

 

Межклеточные коммуникации. Quorum sensing

Дабы преуспеть, бактерии должны быть приспособлены к выживанию и существованию в сложных микробных сообществах. Взаимодействия между микроорганизмами в таких сообществах, равно как и между патогенными микроорганизмами и их хозяевами зависят от экспрессии специфических генов, участвующих в этих взаимодействиях. Не удивительно, что бактерии выработали механизмы детекции конкурентов и растительных либо животных хозяев и системы "быстрого реагирования" на подобные контакты. Во многих случаях экспрессия определенного набора генов будет зависеть от достижения бактериальной популяцией определенной плотности. Например, путем задержки экспрессии факторов вирулентности до тех пор, пока не будет достигнута высокая плотность популяции, патогены растений могут избегать защитной реакции своих хозяев.

У животных и растений проникающие  через мембрану сигнальные молекулы, такие как стероидные и брассиностероидные гормоны, метилжасминат и др., являются хорошо изученными регуляторами развития, дифференциации клеток и метаболизма в целом. В последние годы у бактерий тоже были обнаружены сигнальные молекулы такого рода - ацилированные производные гомосеринлактона (АГСЛ), участвующие в межклеточной коммуникации. Бактерии используют эти молекулы прежде всего для того, чтобы следить за плотностью своей популяции. Этот феномен получил название "Quorum sensing" (чувство кворума). Каждая клетка в популяции продуцирует низкий базальный уровень свободно диффундирующего АГСЛ за счет активности специфического фермента,

АГСЛ синтетазы, как правило, члена LuxI-семейства белков. С возрастанием плотности бактериальной популяции концентрация АГСЛ также возрастает. При достаточно высокой плотности, т.е. по достижении кворума, накопленный АГСЛ взаимодействует с рецепторным белком, обычно с членом LuxR-семейства белков-регуляторов транскрипции, которые изменяют уровень экспрессии АГСЛ- зависимых генов. У различных бактерий принцип действия АГСЛ-зависимой регуляции сохраняется, хотя набор регулируемых генов может быть совершенно разным. Первой (в 1970 г.) была описана АГСЛ-сенсорная система морской бактерии Vibrio fisheri, где "чувство кворума" регулирует экспрессию генов биолюминесценции (lux). У других бактерий тот же механизм регулирует экспрессию генов вирулентности (Pseudomonas aeruginosa, Erwinia carotovora), конъюгационного переноса Т-ДНК (Agrobacterium tumefaciens), подвижность (Serratia liquefaciens), продукцию антибиотиков (Erwinia carotovora) и др (Рис. 12.1). Когда бактерии Vibrio fisheri колонизируют специальные органы некоторых видов рыб и кальмаров, они начинают светиться в результате активации lux-оперона, кодирующего фермент люциферазу, непосредственно производящий свечение, и ряд ферментов, определяющих синтез субстрата для люциферазы - алифатического альдегида, энергия окисления которого и расходуется на свечение. Продукт гена luxI кодирует синтез АГСЛ, в данном случае N-(3-оксогексаноил)-L-гомосеринлактона. Это вещество способно свободно диффундировать во внешнюю среду через бактериальные мембраны. Во время периода несимбиотической жизни Vibrio fisheri в морской воде АГСЛ в результате такой диффузии не накапливается в клетке и бактерия не тратит энергию на свечение. С другой стороны, при быстром росте в богатой среде световых органов хозяина, где плотность клеток бактерий достигает 1010 на миллилитр, АГСЛ накапливается в бактериальных клетках, приводя к индукции люциферазного оперона.

Самой по себе аккумуляции  АГСЛ в клетке недостаточно для активации экспрессии люциферазных генов. Еще один ген, luxR, кодирует транскрипционный активатор, который взаимодействует с АГСЛ. Этот белок имеет два четко выраженных домена. Карбокси-концевой содержит HTH мотив, отвечающий за связывание белка с ДНК в специфических симметричных участках, называемых lux-боксами. Эти короткие (20 н.п.) последовательности были идентифицированы в промоторных областях многих генов, регулируемых АГСЛ. Амино-концевой домен LuxR взаимодействует с АГСЛ. Предполагается, что в отсутствие АГСЛ C-концевой ДНК-связывающий домен экранируется N-концевым доменом, что предотвращает связывание с ДНК. Связывание АГСЛ N-концевым доменом вызывает конформационное изменение, позволяющее амино-концевому домену LuxR связаться с lux-боксами и активировать транскрипцию.

Интересно, что не все  LuxR-подобные белки являются активаторами транскрипции. Белки EsaR и ExpR, продуцируемые растительными патогенами Pantoea stewartii и Erwinia carotovora, являются репрессорами. Для этих белков связывание АГСЛ снижает их аффинность к lux-боксам. Тогда как большинство LuxR-подобных активаторов связывается с lux-боксами, перекрывающимися с -35 областью промотора, EsaR связывается в области -10, что, естественно, предотвратит инициацию транскрипции.

 

Рис.1 Автоиндукторы грамотрицательных бактерий

Синтез АГСЛ.

АГСЛ имеют общую структуру  алифатической цепочки различной длины, присоединенной через амидную связь к лактонизированному остатку гомосерина.

Рис.2. Ситез АГСЛ и механизм его действия

 

LuxI катализирует связывание S-аденозилметионина (SAM) с жирнокислотной цепочкой, синтезированной при участии ацил-ацил переносящего белка (ACP). Последующая за образованием амидной связи лактонизация S-аденозилметионина приводит к образованию кольца, освобождению АГСЛ и образованию побочного продукта - 5-метилтиоаденозина (MTA).

Регуляция синтеза  экзоферментов у Erwinia

Фитопатогенные бактерии Erwinia carotovora продуцируют довольно широкий спектр гидролитических ферментов, деградирующих клеточные стенки растений. К таким ферментам относятся пектатлиазы, целлюлазы, полигалактуроназы и протеазы. Развитие этого патогена в растениях ведет к индукции этих ферментов, результатом чего является мацерация растительных тканей и развитие симптомов мягкой гнили. Продукция внеклеточных ферментов зависит от накопления N-3-оксогексаноил-L-гомосерин лактона, синтез которого детерминируется гомологами LuxI, которые у разных штаммов называются ExpI, CarI и HslI. Рядом с геном expI находится expR -гомолог luxR. Мутанты по гену expI имеют сниженную, а по гену expR – повышенную продукцию экзоферментов.

Рис.3 Регуляция синтеза  факторов вирулентности Erwinia посредством АГСЛ

 

Кроме того, некоторые штаммы Erwinia carotovora продуцируют β-лактамные антибиотики широкого спектра действия - карбапенемы. Синтез карбапенемов координирован с экспрессией экзоферментов и может служить для ингибирования других бактерий при конкуренции за питательные вещества, высвобождающиеся при мацерации растительных тканей. Синтез карбапенемов контролируется парой белков CarR и CarI, гомологичных, но не идентичных по своим функциям ExpR и ExpI. CarR и ExpR не взаимозаменяемы, но АГСЛ, продуцируемый CarI, идентичен таковому ExpI. Продукция экзоферментов у Erwinia контролируется дополнительно еще несколькими регуляторными системами.

Роль АГСЛ-сигналов в экологии бактериальных популяций.

Кросс-сигналы (и ингибирование антибиотиками). Рассмотренный нами только что способ коммуникаций между бактериальными клетками за счет секретируемых небольших молекул-феромонов достаточно широко распространен в природе, но далеко не всегда молекулярные механизмы, лежащие в его основе, аналогичны только что описанным. Например, грамположительные бактерии вместо АГСЛ используют короткие пептиды в качестве феромонов. Будучи пептидами, эти молекулы не могут свободно проникать через мембраны и поэтому активно секретируются из бактериальной клетки, используя мембранные транспортеры ABC-класса. Пептидные сигналы, естественно, не могут также проникнуть и внутрь клетки-мишени, а посему распознаются снаружи типичной сенсор-киназой, передающей сигнал (в виде фосфогруппы) внутриклеточным регуляторам. Таким образом регулируются компетентность и споруляция у Bacillus subtilis, вирулентность у Staphylococcus aureus, конъюгация у Enterococcus faecalis и продукция микроцина у Lactobacillus sake.