Предыдущая страница реферата | 1  2  3 | Следующая страница реферата

В рамках этой концепции, микроорганизмы с преобладанием бесполого размножения имеют намного больше оснований совершать апоптоз (если он способствует выживанию популяции), чем многоклеточные существа. Действительно, колония как про-, так и многих эукариотических организмов (например, рассмотренного выше D. discoideum) представляет собой почти идеальный клон. Поэтому социобиологическая концепция родственного альтруизма, если она верна, предсказывает широкое распространение "альтруистических" событий в колониях микроорганизмов [9, 58].

В этой связи представляет интерес тот факт, что описанные примеры апоптоза не являются единственными "альтруистическими" системами в мире микроорганизмов. Подобно эукариотическим инфицированным клеткам, гибнущим, чтобы не допустить распространения инфекции, некоторые штаммы E. coli несут гены, вызывающие гибель клетки после внедрения в неё бактериофага Т4 [63]. Так, ген lit блокирует синтез всех клеточных белков в ответ на начало экспрессии поздних генов фага Т4, поскольку кодирует протеазу, разрушающую необходимый для синтеза белков фактор элонгации EF-Tu [64]. Ген prrC кодирует нуклеазу, расщепляющую лизиновую тРНК. Нуклеаза активируется продуктом гена stp фага Т4 [63]. Гены rex вызывают у инфицированных фагом Т4 клеток формирование ионных каналов, ведущих к потере клетками жизненно важных ионов и к альтруистической гибели, если только фаг не закрывает каналы своими белками, продуктами генов rII [65].

Любопытно, что гены, отвечающие за гибель клетки в ответ на фаговую инфекцию не склонны стабильно встраиваться в хромосому (а гены rex вообще относятся к геному фага (и экспрессируются в лизогенных клетках) [63]. Можно предположить, что "альтруистические" гены, будучи подвижными и легко утрачиваемыми генетическими элементами, функционируют только у части бактериальной популяции, Если это предположение справедливо, то бактериальная колония представляет собой смесь "альтруистов" и "эгоистов". Такой смешанный состав характерен для групп высших животных (например, крыс) и даже людей, по сообщению Б.М. Медникова [66].

Кворум и химическая коммуникация у микроорганизмов

В последнее десятилетие неуклонно расширяется список изученных микробных процессов, реализуемых только при наличии достаточной плотности популяции (кворума). Эти исследования продолжают начатые уже около 100 лет тому назад изыскания. Уже тогда исследовался, например, вопрос о том, почему культивирование бактерий часто не удается, если взята слишком низкая плотность инокулята. В 1988 г. Дж. Шапиро [34] также писал, что споры миксобактерий прорастают только при достаточно высокой их концентрации в среде. Уже в начале 80-х годов, как известно, изучением плотность-зависимых процессов в микробных популяциях активно занимались В.И. Дуда, Г.И. Эль-Регистан и др. (см., например [67, 68]). Была исследована природа некоторых химических факторов (ауторегуляторов), накапливающихся в культуре и вызывающих те или иные эффекты, например, автолиз клеток (фактор d2 жирнокислотной природы [68]). Оригинальные отечественные и зарубежные работы 80-х годов обобщены в монографии А.С. Хохлова "Низкомолекулярные микробные ауторегуляторы" [69].

Работы 90-х годов резко усилили интерес к "эффектам кворума" в популяциях микроорганизмов. К числу описанных к настоящему времени процессов, протекающих лишь при достаточно высокой плотности популяции, принадлежат следующие явления [1, 8-15, 70]:

Биолюминисценция у морских бактерий (Vibrio fischeri, V. harveyi). Агрегация клеток миксобактерий и последующее формирование плодовых тел со спорами Конъюгация с переносом плазмид у Enterococcus faecalis и родственных видов, а также у клубеньковых бактерий рода Agrobacterium Формирование клеток-швермеров у бактерий родов Proteus и Serratia Синтез экзоферментов и других факторов вирулентности у растительных (Erwinia carotovora, E. hyacinthii и др.) и животных (Pseudomonas aeruginosa) патогенов. Образование антибиотиков у представителей рода Streptomyces и у Erwinia carotovora Споруляция у бацилл и актиномицетов Стимуляция роста стрептококков и ряда других микроорганизмов

Раскрыты механизмы многих из указанных процессов; определены факторы межклеточной коммуникации, отвечающие за плотностно-зависимые процессы. Здесь необходимо сказать несколько слов о биокоммуникации в целом (предмет особой биологической науки под названием биосемиотика). Среди изучаемых данной наукой каналов коммуникации между живыми организмами, три канала коммуникации являются наиболее эволюционно-консервативными и в полной мере функционируют уже у одноклеточных форм жизни [4, 5]. Речь идёт о передаче информации путём 1) непосредственного (физического) контакта между организмами; 2) выработки диффундирующих в среде химических агентов; 3) генерации тех или иных физических полей. Все три канала коммуникации, вероятно, принимают участие в "эффектах кворума".

Физический контакт между организмами. Некоторые из плотностно-зависимых процессов включают в себя стадии, контролируемые недиффундирующими химическими факторами. Они прикреплены к генерировавшей их клетке, и их восприятие рецепторами другой клетки требует непосредственного межклеточного контакта. Так, в голодающей популяции миксобактерий Myxococcus xanthus наблюдается агрегация клеток с последующим формированием плодовых тел со спорами (эукариотическим аналогом этой системы служит кратко рассмотренный выше Dictyostellium discoideum). Процесс находится под контролем как диффундирующих, так и недиффундирующих химических факторов. Поздние его стадии, когда клеточная агрегация уже идёт в течение 6 часов и необходимо обеспечить достаточно компактную укладку клеток для формирования спор, контролируются недиффундирующим, прикреплённым к поверхности клетки белковым фактором С (продукт гена csgA) [10, 71, 72]. Мутанты по гену csgA не способны к согласованным клеточным движениям, необходимым для компактного расположения палочковидных клеток M. хanthus; эти мутанты не формируют и плодовых тел. Идентифицировано по крайней мере 16 генов, чья экспрессия зависит от фактора С [72].

Физический контакт клеток необходим также при коммуникации посредством поверхностных органелл, таких как например пили, и компонентов экзоплимерного матрикса, покрывающего отдельные клетки, их группы, всю колонию в целом. В частности, процесс агрегации и споруляции у M. xanthus зависит от пилей типа IV (гомологи пилей типа IV есть у патогенных бактерий Pseudomonas aeruginosa и Neisseria gonorhoeae, где они также обусловливают социально координированные клеточные движения [73]), от полисахаридно-белковых фибрил и от липополисахаридного О-антигена внешнего слоя наружной мембраны [1, 73, 74]. Все эти поверхностные клеточные структуры синтезируются с помощью так называемых S (social) генов, ответственных за коллективные, координированные перемещения клеток и формирование структур надклеточного уровня. Им противопоставляют также имеющиеся у миксобактерий А (adventurous) гены, позволяющие индивидуальным клеткам покидать край растущей колонии.

Своего рода промежуточное положение между недиффундирующими и свободно диффундирующими агентами коммуникации у миксобактерий занимают тяжи (trails) из биополимеров матрикса, которые отделяются от образовавшей их клетки, тем самым пролагая путь другим клеткам-"путешественницам", дающим начало дочерним колониям [75]. Интересно, что аналогичную роль в сообществе муравьев играют так называемые следовые торибоны, маркирующие след мураьвьёв-фуражиров ("первопроходцев") [76]. Естественно, что роль контактной (и "следовой") коммуникации в её различных вариантах не ограничивается только миксобактериальными системами. Например, пили участвуют в агрегации клеток в колониях Neisseria gonorrhoeae [1]. У эукариотических микроорганизмов, в частности, у Dictyostellium discoideum, контактные взаимодействия участвуют в морфогенезе наряду с диффундирующими химическими агентами. Несоменную роль в этих взаимодействиях играют гликопротеины, характеризующие дальнейшую судьбу клеточных субпопуляций: клетки, дающие в дальнейшем споры, несут гликопротеин PsA, в то время как совершающая апоптоз субпопуляция (будущая ножка плодового тела) имеeт антиген MUD9 [77].

Дистантная химическая коммуникация на службе "эффектов кворума". Тема химической коммуникации у микроорганизмов настолько широка (она была рассмотрена в более ранних авторских работах [4, 5, 78]), что мы ограничимся только теми диффузными химическими агентами, чьё участие в "эффектах кворума" установлено. Речь будет идти о следующих классах соединений: 1) ацилированные лактоны гомосерина, регулирующие широкий круг плотностно-зависимых коллективных процессов у грамотрицательных бактерий; 2) пептиды, регулирующие конъюгативный плазмидный перенос у Enterococcus, развитие воздушного мицелия у Streptomyces, споруляцию у бацилл и др.; 3) аминокислоты и сходные с ними аминные соединения, регулирующие агрегацию бактериальных клеток (E. coli, Salmonella typhimurium, Myxococcus xanthus) и формирование швермеров у Proteus mirabilis.

1. Кворум-зависимые системы с лактонами гомосерина как агентами межклеточной коммуникации (системы типа "luxI-luxR"). Рассмотрим вначале сравнительно хорошо изученные бактериальные системы, использующие ацилированные лактоны гомосерина. Классическим объектом служит морская светящаяся бактерия Vibrio fischeri [8, 12, 70]. Свечение является плотностно-зависимым процессом, т. е. не наблюдается в разбавленных клеточных суспензиях, например, просто в толще морской воды (плотность культуры менее 102 клеток/мл [70]). Свечение V. fischeri реализуется лишь в концентрированных культурах V. fischeri, в том числе в природных экологических нишах этой бактерии- в светящихся органах головоногого моллюска Euprymna scolopes, где плотность популяции достигает 1010-1011 клеток/мл [70]. Данная система, по-видимому, представляет пример взаимовыгодного межвидового сотрудничества "Моллюск, ночное животное, извлекает выгоду из того, что светящиеся бактерии делают его незаметным для хищников снизу; свечение, напоминающее лунный свет, устраняет тень, которая иначе возникала бы, если бы лунные лучи освещали моллюска сверху. А бактерия извлекает выгоду из того, что моллюск предоставляет питание и укрытие" [10, P.69]. Биохимию и генетику свечения V. fischeri исследовали поэтапно. Вначале удалось показать, что свечение культур V. fischeri, находящихся на ранней экспоненциальной стадии развития, может быть индуцировано культуральной жидкостью, отделённой от клеток V. fischeri во время стационарной фазы. Впоследствие была детально охарактеризована генетическая система "luxI – luxR" [12, 69, 70], оказавшаяся типичной для большинства известных плотностно-зависимых систем грамотрицательных бактерий.

Система включает 2 основных блока генов. Один из этих блоков—оперон luxICDABEG, чьи гены имеют следующие функции:

Ген luxI кодирует белок (LuxI, 193 аминокислоты), который по всей вероятности функционирует как синтаза химического агента межклеточной коммуникации, чьё накопление в среде сигнализирует клеткам V. fischeri о достижении пороговой плотности (кворума) для биолюминесценции. Агент коммуникации синтезируется из S-аденозилметионина и 3-оксогексаноил-кофермента А и представляет собой N-(3-оксогексаноил)-L-лактон гомосерина (3-ОГЛГ). Гены luxA и luxB кодируют, соответственно, субъединицы a и b люциферазы (ферментного комплекса, ответственного за биолюминсценцию). Гены lux C,D, E кодируют редуктазу жирных кислот (один из окисляемых субстратов в ходе люциферазной реакции, приводящей к испусканию кванта света) Ген lux G кодирует редуктазу флавинмононуклетида (другой субстрат, также окисляемый в люциферазной реакции).

Другой генный блок включает ген lux R, чей белковый продукт LuxR (250 аминокислот) связывает фактор 3-ОГЛГ. Комплекс LuxR-3-ОГЛГ связывается с промоторным участком оперона luxICDABEG и активирует его транскрипцию. В отсутствие 3-ОГЛГ оперон luxICDABEG экспрессируется на низком "базовом" уровне. Белок LuxR в отсутствие 3-ОГЛГ функционирует как репрессор, в частности, гена luxR, кодирующего сам этот белок. По мере повышения концентрации клеток V. fischeri накапливающийся в среде 3-ОГЛГ начинает выступать как "аутоиндуктор": наряду со структурными генами его комплекс с LuxR активирует и транскрипцию luxI, т.е. синтез самого 3-ОГЛГ [10, 12, 70], активирующего в комплексе с LuxR траскрипцию оперона lux в новых и новыхклетках V. fischeri. Поэтому лавинообразно нарастает синтез всех компонентов люциферазной системы и начинается интенсивное свечение бактерий.

По принципу описанной системы luxI-luxR организованы (с теми или иными модификациями) кворум-зависимые регуляторные системы и у ряда других грамотрицательных бактерий (таблица). В роли диффундируюших химических факторов коммуникации также выступают ацилированные лактоны гомосерина. Одна и та же бактерия может включать несколько плотностно-зависмых систем. Так, в последние годы показано, что рассмотренная выше светящаяся бактерия V. fischeri фактически имеет и вторую плотностно-зависимую систему регуляции биолюминисценции ainI-ainR со своим активатором транскрипции (AinR), связывающим диффузный фактор N-октаноил-L-лактон гомосерина [8].

Аналогично, две кворум-зависимых системы с N-(3-оксибутаноил)-L-лактоном гомосерина и пока не идентифицированным соединением (условно названным AI-2) как диффузными агентами межклеточной коммуникации регулируют свечение у родственной морской бактерии Vibrio harveyi. Однако, наряду с активатором транскрипции (LuxR), у V. harveyi есть также и репрессор (LuxO). Его инактивация достигается сочетанным действием диффузных продуктов обоих систем: N-(3-оксибутаноил)-L-лактон гомосерина связывается белком LuxN, a AI-2 – белками LuxP и LuxQ, которые представляют собой гистидиновые киназы. Они инициируют работу каскада киназ, который и приводит к модификации путём фосфорилирования репрессора LuxO и, таким образом, к активной работе системы биолюминесценции [79].

Бактерии рода Erwinia (E. carotovora, E. chrysanthemii и др.) вызывают мягкую гниль картофеля, хризантем и других растений. Они расщепляют растительные клеточные стенки с помощью пектиназ и целлюлаз. Образование этих ферментов является важным фактором вирулентности Erwinia и представляет собой плотностно-зависимый процесс.[12, 70, 80]. Поэтому при достаточно высокой плотности популяции бактерий синтез ферментов происходит столь интенсивно, что клетки растений разрушаются раньше, чем их иммунная система успевает прореагировать на внедрение патогена. У Erwinia функционирует генная система expI-expR, аналог системы luxI-luxR у V. fischeri. Белок ExpI, частично гомологичный белку LuxI, необходим для синтеза диффузного фактора коммуникации – 3-ОГЛГ (как и у V. fischeri). В силу совпадения факторов коммуникации у Erwinia и у V. fischeri, введение плазмиды, содержащей все гены lux V. fischeri, за вычетом luxI, обусловливает плотностно-зависимую люминесценцию у E. carotovora [80].

У E. carotovora, кроме expI-expR, имеется также аналогичная генная система carI-carR. Система carI-carR ставит синтез антибиотика карбапенема, образуемого E. carotovora, в зависимость от плотности популяции. Активация синтеза антибиотика при высокой плотности популяции посредством системы carI-carR предположительно облегчает E. carotovora устранение бактерий-конкурентов, которые стремятся использовать продукты расщепления компонентов растительных клеток кворум-зависимыми экзоферментами E. carotovora [12, 70].

Помимо 3-ОГЛГ как фактора коммуникации в кворум-зависимых системах, у бактерии E. chrysanthemii обнаружены и другие феромоны [80] (см. таблицу). На примере этой бактерии продемонстрировано, что плотностно-зависимые геннные системы в то же время находятся под контролем других регуляторных систем, в том числе зависимых от цАМФ (и связывающего цАМФ белка CRP [80]; такая зависимость показана и для V. fischeri). Кворум-зависимые системы, таким образом, оценивают не только плотность популяции, но и другие параметры внешней среды через посредничество соответствующих генных регуляторов.

Патогенная для человека и животных бактерия Pseudomonas aeruginosa ("синегнойная палочка"), подобно E. carotovora, синтезирует необходимые для вирулентности факторы – токсин А, экзоферменты (эластазы LasA и LasB, щелочную протеазу), гемолизины и поверхностно-активный рамнолипид.—при наличии бактериального кворума [70, 82]; имеются две генные системы: lasI-lasR и vsmI-vsmR.

Примеры с V. fisheri, E. carotovora и P. aeruginosa демонстрируют, что микробные клетке вступают во взаимодействие с макроорганизмом (растением или животным) только в том случае, если концентрация феромона сигнализирует о достаточной плотности микробной популяции. Это взаимодействие может быть паразитического или/и взаимовыгодного (мутуалистического) типа. Дополнительные примеры представляют

Клубеньковые бактериир. Rhizobium. Так, штаммы R. leguminosarum bv. viciae отвечают за формирование азотфиксирующих клубеньков в корневых системах бобовых растений. Соответствующая кворум-зависимая генная система rhiI-rhiR обусловливает интенсивную экспрессию генов rhiABC при высокой плотности популяции. Белковые продукты данных генов участвуют во взаимодействии между бактериальным симбионтом и клетками ризосферы, хотя их функции до конца не выяснены. Интересно, что у родственного вида R. etli функционирует дополнительная генная система raiI-raiR, участвующая в ограничении количества клубеньков на корнях растения-хозяина (мутанты по этой системе формируют вдвое больше клубеньков на корнях фасоли, чем дикий тип) [83]. Бактерия Agrobacterium tumefaciens, формирующая корончатые галлы у многих видов бактерий. Галы представляют растительный аналог злокачественной опухоли и образуются в результате переноса онкогенных фрагментов ДНК от бактерии в ядро растительной клетки посредством Ti-плазмид. Некоторые из генов Ti-плазмид обусловливают синтез опинов, которые служат питательным субстратом для A. tumefaciens. Гомологичная luxI-luxR генная система traI-traR стимулирует распространение Ti-плазмид в бактериальной популяции. Поскольку сама система traI-traR локализована на плазмиде, она, как и плазмиды "addiction modules" (см. выше подстраничную сноску 1), соответствует теории "эгоистичной ДНК" социобиолога Р. Докинза . Плазмидная ДНК стремится распространиться в популяции бактерий и, как только имеется достаточный "кворум", побуждает несущие плазмиду клетки конъюгировать с другими бактериальными клетками! [13]. В то же время конъюгативный перенос Ti-плазмид зависит от опинов и, таким образом, возможен лишь в ситуации успешного взаимодействия микробиоты и макроорганизма (растения, формирующего опин-продуцирующую опухоль). В частности, транскрипция traR стимулируется фактором OccR, активируемым октопином (одним из опинов) [70].

Формирование клеток-швермеров, способствующее распространению бактериальной популяции по плотной среде и колонизации различных экологических ниш (в том числе и тела макроорганизма) регулируется у некоторых бактериальных видов системами типа luxI-luxR. Так, генная система swr стимулирует движение клеток-швермеров по плотной среде у Serratia liquefaciens. Предполагается, что продуктом плотностно-зависимых генов swr является внеклеточное поверхностно-активное вещество (аналог рамнолипида у Pseudomonas aeruginosa), облегчающее швермерам передвижение по поверхности питательной среды [84].

Данные о плотностно-зависимых системах типа luxI-luxR и соответствующих феромонах обобщены в таблице. Как уже было отмечено, многие из таких систем важны для регуляции поведения симбиотической (паразитической) микрофлоры, с целью налаживания взаимодействия с макроорганизмом. Более того, коммуникация посредством ацилированных лактонов гомосерина может иметь межвидовой характер. В частности, вырабатываемый Pseudomonas aeruginosa феромон N-(3-оксо)-додеканоил-лактон гомосерина воспринимается эпителиальными клетками человека и индуцирует синтез интерлейкина-8, одного из факторов межклеточной коммуникации, участвующего в имунной защите у человека [8].

Некоторые системы с лактонами гомосерина в роли феромонов способствуют устранению микроорганизмов-конкурентов, синтезируя антибиотики, бактериоцины. Так, генная система phzI-phzR регулирует синтез противогрибковых антибиотиков у Pseudomonas aureofaciens [12]. Актиномицеты рода Streptomyces располагают плотностно-зависимыми системами, регулирующими синтез антибиотиков, развитие воздушного мицелия и спорообразование. Феромонами в этой системе служат (γ-бутиролактоны гомосерина [12]. Однако генетическая система отличается от luxI-luxR типа. γ-Бутиролактоны гомосерина (А-фактор у S. griseus) связываются не с активатором транскрипции, а с репрессором, теряющим активность в результате этого взаимодействия [70]. В роли бактериоцина (ингибитора роста бактерий) выступает один из образуемых бактериями р. Rhizobium лактонов гомосерина, а именно N-(3R-окси-7-цис-тетрадеканоил)-L-лактон гомосерина [83].

Соединения, напоминающие сигнальные агенты плотностно-зависимых систем прокариот, могут вырабатываться эукариотическими клетками как конкурентами или антагонистами прокариотов. "Зная" об информационных функциях подобных химических веществ у прокариот, эукариоты, вероятно, создают своего рода "дезинформационные помехи", "сбивая с толку" бактериальные клетки. Возможно, именно поэтому, например, галогенированные фураноны – близкие аналоги ацилированных лактонов гомосерина – образуемые красной водорослью р. Delysea, представляют собой эффективные антимикробные агенты [85].

Необходимо отметить, что феромоны микроорганизмов и, в частности, ацилированные лактоны гомосерина, могут использоваться в межвидовых взаимодействиях не только в роли антибиотиков/бактериоцинов, но также и в специяической роли сигнальных агентов. Это возможно потому, что различные виды микроорганизмов нередко имеют идентичные или очень сходные по химической природе феромоны [8]. В этой связи интересно, что, например, выделяемые P. аeruginosa внеклеточные вещества усиливают вирулентность факультативной патогенной бактерии Burkholderia cepacium [8].

Рекомендуем скачать другие рефераты по теме: реферат перспектива, реферат субъекты.



Предыдущая страница реферата | 1  2  3 | Следующая страница реферата

Поделитесь этой записью или добавьте в закладки