Обсудите роль системы QS в процессе образования биопленок в регуляции гкнов вирулентности у патогенов

Биопленки представляют собой вершину организации прокариотических сообществ. Как и в любом сообществе, взаимодействие между отдельными его членами жизненно необходимо для успешного существования всей популяции. Прокариоты взаимодействуют друг с другом, секретируя сигнальные молекулы, которые узнаются соседями. Эти сигнальные молекулы, называемые аутоиндукторы, обеспечивают скоординированную экспрессию генов в группе микроорганизмов. Поскольку аутоиндукторы узнаются, только когда они присутствуют в относительно больших количествах, для того чтобы произошли изменения в экспрессии генов, необходимо сосредоточение большого количества микроорганизмов на небольшой площади.

Поэтому регуляция экспрессии генов с участием аутоиндукторов называется quorum sensing. Описаны только три типа аутоиндукторов: система ацилгомосерин лактона (ацил HSL) у грамотрицательных микроорганизмов, система аутоиндуктор-2, у грамотрицательных и грамположительных, и пептидная система у грамположительных бактерий. Показано, что quorum sensing регулирует несколько процессов, протекающих с участием бактерий. У грамположительных бактерий они включают споруляцию Bacillus subtilis, конъюгацию Enterococcus faecalis, вирулентность Staphylococcus aureus, и инфекционность Streptococcus pneumoniae. У грамотрицательных микроорганизмов также много процессов регулируются по этому механизму: среди прочих свечение Vibrio fiscberi, вирулентность Р. aeruginosa и образование корончатых галлов под действием Agrobacterium tumefaciens. На рисунке ниже представлена общая схема кворумного узнавания системы ацил-HSL. В этой системе фермент из семейства LuxI ацил-HSL-синтаз катализирует образование ацил-HSL. При низкой плотности клеток активации генов не происходит. Однако при превышении порогового уровня ацил-HSL регуляторы транскрипции семейства LuxR связывают аутоиндуктор, что приводит к активации транскрипции зависимых генов.

Индукторы HSL участвуют в образовании биофильмов такими организмами, как Р. aeruginosa и Streptococcus mutants. Штамм Р. aeruginosa, несущий мутацию по гену lasI (гомологу гена luxI), не продуцирует аутоиндуктор и не образует зрелой биопленки. Способность к формированию биопленки мутантными клетками восстанавливается после добавления к ним экзогенного гомосерин лактона. Микроорганизм Strepococcus mutans образует биопленки на поверхности зубной эмали и содержит гомолог гена luxS, который необходим для их правильного формирования.

Однако quorum sensing не всегда обеспечивает образование биопленки. Например, у Vibrio cholera образование гомосерин лактона необходимо для эффективной фрагментации биопленки. У многих видов микроорганизмов quorum sensing, вероятно, участвует в формировании биопленки. Однако большинство исследований, направленных на понимание молекулярных основ образования биопленок, пока еще находится в начальном периоде.

Один из основных аспектов исследований биопленок состоит в выяснении вопроса, как отличается экспрессия генов у прикрепившихся и планктонных клеток. Исследование этих различий поможет выяснить молекулярные основы устойчивости бактерий к антибиотикам и к иммунной системе клеток организма хозяина. Только недавно для клеток Е. coli и Р. aeruginosa выяснена генетика образования биопленок. Аналогичные исследования необходимо провести на других организмах с тем, чтобы выяснить общие черты в формировании биопленок. Наконец, поскольку большинство биопленок, образующихся в организме, состоят из многих типов микробов, динамика их формирования должна быть исследована более подробно. Сигнальной молекулой, синтезируемой бактериями и участвующей в системе quorum sensing, является ацилгомосерин лактон (ацил-HSL). По мере накопления клеток, концентрация ацил-HTS достигает порогового значения, и индуктор связывается с регулятором транскрипции. При этом происходит активация генов, участвующих в формировании биопленки.

Наибольший интерес представляет QS, участвующий в регуляции экспрессии факторов вирулентности у стафилококков. Генетической основой работы этой системы является agrABCD - хромосомный локус. В качестве передатчиков сигналов выступают циклопептиды - аутоиндукторы (AIP, auto-inducing peptide), которые классифицированы по строению и биологическому эффекту на группы и субгруппы, например, 1 и 4 субгруппы у S.aureus увеличивают экспрессию факторов вирулентности. Эти молекулы крайне специфичны, замена хоты бы одной аминокислоты в структуре соединения, ведет к потере биологической функции.

Синтезированные сигнальные молекулы взаимодействуют с гистидинкиназной мембранной системой (agrC), которая через каскад реакций активирует регулятор транскрипции (agrA). Этот белок осуществляет бифункциональную регуляцию двух промоторов P2 и P3. Соответственно, транскриптами этих зависимых генов является РНК II и РНК III, первая содержит основные agr-гены, таким образом проявляется аутоиндуктивный ответ системы. В свою очередь РНК III обеспечивает регуляцию синтеза факторов вирулентности (ДНКазы, фибринолизина, энтеротоксина, б-, в-, д-токсинов и др.). Интересной особенностью на данном этапе регуляции является то, что транскрипт РНК III размером в 500 пар нуклеотидов не несет кодируемой информации, за исключением одной открытой рамки считывания для д-токсина. Подавляющая часть молекулы транскрипта сама выступает как рибосомальный ингибитор. РНК III блокирует процесс трансляции фактора репрессии вирулентности Rot (repressor of toxins), регулирующий синтез стафилококковых токсинов, следствием чего является неконтролируемое образование экзотоксинов. Таким образом, agr-система обеспечивает популяционную регуляцию экспрессии факторов вирулентности стафилококков. Используя различные варианты ПЦР-исследований, установлено, что экспрессия agr-локуса в клетках наблюдается при многих стафилококковых поражениях: инфекции кожи, эндокардиты, артриты, сепсис. В популяции биопленок накапливаются сигнальные молекулы, синтезируемые подавляющим большинством клеток, являющихся метаболическим и генетическим «ядром, кворумом» популяции, они задают метаболическое поведение, фенотипические изменения для всех клеток. Это осуществляется за счет аккумуляции сигналов через свойство аутоиндукции, и ингибирование других сигналов, синтезируемыми меньшинством, либо вообще иными штаммами в биопленке за счет параллельного механизма ингибирования.

16. Опишите кворум-зависимые системы Г+ и Г- бактрий. Перечислите основные группы авторегуляторов.

Для того чтобы бактерии могли конститутивно использовать кворум-сенсинг, они должны обладать тремя характеристиками: выделять сигнальную молекулу, аутоиндуктор, обнаруживать изменение концентрации сигнальных молекул и регулировать транскрипцию генов в качестве ответа. Этот процесс сильно зависит от диффузии и механизм действия сигнальных молекул. Сигнальные молекулы QS обычно секретируются на низком уровне отдельными бактериями. При низкой плотности клеток молекулы могут просто рассеиваться. При высокой плотности клеток локальная концентрация сигнальных молекул может превышать ее пороговый уровень и вызывать изменения в экспрессии генов.

С точки зрения структурно-функциональной организации на сегодня выделяют два основных типа систем QS – систему аутоиндукции (Г-) и систему сигнальной трансдукции (Г+)