Transcript Химическая коммуникация у бактерий

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
Pseudomonas chlororaphis / phzI / Nгексаноил-гомосерин-лактон
Vibrio fischeri / luxI / N-3-оксогексаноил-гомосерин-лактон
Pseudomonas aeruginosa / lasI / N-3оксо-додеканоил-гомосерин-лактон
Pseudomonas aeruginosa / rhl I / Nбутаноил-гомосерин-лактон
Agrobacterium tumefaciens / traI / N-3оксо-октаноил-гомосерин-лактон
Vibrio harveyi / luxLM / N-3гидрокси-бутаноил-гомосерин-лактон
Структура АГЛ
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
L LasI – N-(3-оксо)-С12-HSL
a RhlI – N-C4-HSL
s
Экспрессия более 600 генов
регулируется QS
O
OH
N
H
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
грамположительных 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)
NH3
OOC
Adenine
O
OOC
S
Adenine
S
Pfs
O
Methyltransferases
OH OH
OH OH
S-adenosylhomocysteine
OOC
Adenine
NH3
OH
OH
NH3
S
O
LuxS
?
O
OH
OH OH
S-ribosylhomocysteine
Homocysteine
AI-2
O
4,5-dihydroxypentane-2,3-dione (DPD)
Схема синтеза AI-2
OH
C. albicans farnesol
OH
OH
O
C. albicans tyrosol
COOH
Trisporic acid
OH
Коммуникация бактерий с участием QS систем
I. Burkholderia cepacia – слабый синтез АГЛ, слабо
патогенная.
+
супернатант культуры Pseudomonas aeruginosa,
содержащий большое количество АГЛ
Резкое увеличение вирулентности B. cepacia.
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-гомосеринлактоназы.
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.