Химическая коммуникация у бактерий

(Quorum Sensing регуляция)

И.А. Хмель

Институт молекулярной генетики РАН

1.  Quorum Sensing (QS) – особый тип регуляции экспрессии генов бактерий, зависящей от плотности их популяции.

2. QS системы включают два обязательных компонента: низкомолекулярный регулятор (аутоиндуктор, AИ), легко диффундирующий через клеточную стенку, и рецепторный регуляторный белок, взаимодействующий с АИ.

3.  При высоких плотностях популяции бактерий АИ накапливаются в культуре. Достигнув определенной пороговой концентрации, АИ взаимодействуют с рецепторными белками и активируют их. Комплекс рецепторный белок – AИ связывается с промоторными областями генов (оперонов), что приводит к индукции экспрессии этих генов.

4.  С помощью AИ осуществляется коммуникация бактерий. AИ, продуцируемые одной клеткой, могут взаимодействовать с рецепторным белком другой бактерии и индуцировать в ней экспрессию определенных генов. В результате происходит скоординированная экспрессия этих генов во всем сообществе

бактерий. В подобном «социальном» поведении бактерий проявляются черты многоклеточного организма.

Quorum Sensing действует как механизм,

который определяет

регуляцию скоординированного поведения

бактерий на уровне популяции.

QUORUM SENSING СИСТЕМЫ ИГРАЮТ ВАЖНУЮ РОЛЬ В РЕГУЛЯЦИИ МНОГИХ КЛЕТОЧНЫХ ПРОЦЕССОВ

Биолюминесценция.Вирулентность патогенных и фитопатогенных бактерий

– синтез факторов вирулентности.Формирование биопленок.

Регуляция устойчивости к антибиотикам (транспортеры)Синтез антибиотиков.

Синтез внеклеточных ферментов.Конъюгационный перенос Ti плазмид агробактерий,

регуляция числа копий этих плазмид.Синтез экзополисахаридов.

Нодуляция – образование клубеньков.Споруляция.

Компетентность, т.е. способность поглощать ДНК.

QS СИСТЕМЫ ФУНКЦИОНИРУЮТ КАК ГЛОБАЛЬНЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ БАКТЕРИЙ.

I. N-ацил-гомосеринлактоны - аутоиндукторы LuxR/LuxI Quorum Sensing

систем регуляции грамотрицательных бактерий

Бактерия / ген, ответственный за синтез АГЛ / АГЛ

Структура АГЛ

Pseudomonas chlororaphis / phzI / N-гексаноил-гомосерин-лактон

Vibrio fischeri / luxI / N-3-оксо-гексаноил-гомосерин-лактон

Pseudomonas aeruginosa / lasI / N-3-оксо-додеканоил-гомосерин-лактон

Pseudomonas aeruginosa / rhl I / N-бутаноил-гомосерин-лактон

Agrobacterium tumefaciens / traI / N-3-оксо-октаноил-гомосерин-лактон

Vibrio harveyi / luxLM / N-3-гидрокси-бутаноил-гомосерин-лактон

Схема QS регуляции lux оперона у V. fischeri

LuxI – N-3OC6-HSL

TraI-TraR QS система Agrobacterium tumefaciens.

- Гены QS расположены на Ti плазмиде.- TraR в комплексе с АГЛ активирует экспрессию tra оперонов, повышая конъюгативный перенос плазмид между клетками агробактерий.- QS влияет на количество копий Ti плазмид, регулируя транскрипцию repABC оперона.- Повышение копийности плазмид приводит к увеличению опухолеобразования. - Стабильность TraR к действию протеаз увеличивается в 20 раз при связывании АГЛ.  - TraR белки связывают АГЛ только в течение их синтеза на полисомах.- Фолдинг TraR происходит только в присутствии АГЛ.

Схема QS регуляции у P. aeruginosa

LasLasI

LasI – N-(3-оксо)-С12-HSL Экспрессия более 600 генов

RhlI – N-C4-HSL регулируется QS

NH

O

OH

2-heptyl-3-hydroxy-4-quinolone (PQS)

Синтез N-ацил-гомосеринлактонов

Аутоиндукторы QS системы

ComX (B. subtilis) 

CSF (B. subtilis)

GBAP (E. faecalis)

CSP (Str. pneumoniae)

AIP-I (S. aureus group 1)

AIP-II (S. aureus group 2)

AIP-III (S. aureus group 3)

AIP-IV (S. aureus group 4)  

II. Аутоиндукторы Quorum Sensing систем грамположитель- ных бактерий

Схема QS регуляции у S. aureus

Бутиролактон Streptomyces(A-фактор S. griseus)

III. AI-2

Фуранозил борат диэфир (Vibrio harveyi)

(грамположительные и грамотрицательные бактерии)

O

S

NH3OOC

OH OH

Methyltransferases Pfs

Adenine

Homocysteine

LuxS

S-adenosylhomocysteine

S-ribosylhomocysteine

Adenine

O

S

NH3OOC

OH OH

Adenine

O

S

NH3OOC

OH OH

OH

OOH

OH O

4,5-dihydroxypentane-2,3-dione (DPD)

?AI-2

Схема синтеза AI-2

OH

C. albicans farnesol

O

OHCOOH

Trisporic acid

OHOH

C. albicans tyrosol

Резкое увеличение вирулентности B. cepacia.

Коммуникация бактерий с участием QS систем

I. Burkholderia cepacia – слабый синтез АГЛ, слабо патогенная. +супернатант культуры Pseudomonas aeruginosa, содержащий большое количество АГЛ

II. Коммуникация в ризосфере растения.

АГЛ-лактоназы

Введение гена aiiA в клетки Erwinia подавляет ее вирулентность.

Коммуникация с участием АГЛ-лактоназ

При введении гена, кодирующего АГЛ-лактоназу, в геном растения подавляется инфекция фитопатогенной бактерии Erwinia, вирулентность которой зависит от АГЛ.

Если в ризосфере растения присутствует бактерия, синтезирующая АГЛ-лактоназу (Bacillus), и фитопатоген Erwinia, то последняя не поражает растения.

Стимуляция образования биопленок P. aeruginosa PAO1 pME6000 при низких концентрациях перекиси водорода.

Влияние перекиси водорода на образование биопленок и планктонный рост P. aeruginosa PAO1 pME6863 (плазмида содержит ген aiiA, кодирующий гомосеринлактоназу. Стимуляции образования биопленок не наблюдается; т.о., этот феномен зависит от QS регуляции.

Quorum Sensing регуляция – мишень для создания лекарств против патогенности бактерий.

Новая стратегия антимикробной терапии.  Подходы:

1. Подавление синтеза аутоиндукторов.  2. Подавление связывания аутоиндукторов с рецепторными белками. Фураноны.  3. Деградация аутоиндукторов – N-ацил-гомосерин- лактоназы.  4. Использование олигопептидов – репрессоров QS у грамположительных бактерий. 

Фураноны

«Антипатогенные яды»

1. Принципиально новая мишень, поэтому патогенные бактерии, устойчивые к имеющимся

лекарствам, будут к ЯП чувствительными.

2. Подавление вирулентности бактерий, синтеза факторов вирулентности.

3. Подавление образования биопленок.

4. Подавление синтеза транспортеров, определяющих устойчивость к антибиотикам.

Что дает изучение QS:

- Новый принцип регуляции экспрессии генов. - Обнаружение большого количества регуляторов различной природы, участвующих в контроле клеточных процессов. - Новые аспекты взаимодействия микроорганизмов в природе – коммуникация бактерий. - Новые аспекты взаимодействия про- и эукариотических систем. - Новая стратегия антимикробной терапии.