Химическая коммуникация у бактерий ( Quorum Sensing регуляция) И.А. Хмель

1. Химическая коммуникация у бактерий (Quorum Sensing регуляция) И.А. Хмель Институт молекулярной генетики РАН

2. 1.  Quorum Sensing (QS) – особый тип регуляции экспрессии генов бактерий, зависящей от плотности их популяции. 2.QS системы включают два обязательныхкомпонента: низкомолекулярный регулятор (аутоиндуктор, AИ), легко диффундирующий через клеточную стенку, ирецепторный 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. Комплексрецепторный 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 взаимодействоватьс рецепторным белком другой бактерии и индуцировать в ней экспрессиюопределенных генов. В результатепроисходит скоординированная экспрессия этих генов во всем сообществе бактерий.В подобном «социальном» поведении бактерий проявляются черты многоклеточного организма.

3. Quorum Sensing действует как механизм, который определяет регуляцию скоординированного поведения бактерий на уровне популяции.

4. QUORUM SENSING СИСТЕМЫ ИГРАЮТ ВАЖНУЮРОЛЬ ВРЕГУЛЯЦИИ 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.

6. Схема QS регуляции lux оперона у V. fischeri LuxI – N-3OC6-HSL

7. 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 копийностиплазмид 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.

8. Схема QS регуляции у P. aeruginosa LasI – N-(3-оксо)-С12-HSL Экспрессия более 600 генов RhlI – N-C4-HSLрегулируется QS LasLasI

10. Синтез N-ацил-гомосеринлактонов

11. 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

12. Схема QS регуляции у S. aureus

13. Бутиролактон Streptomyces(A-фактор S. griseus)

14. III. AI-2 Фуранозилборатдиэфир (Vibrio harveyi) (грамположительные и грамотрицательные бактерии)

16. Схема синтеза AI-2

18. 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.

19. АГЛ-лактоназы

20. Введение гена aiiAв 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.

21. Стимуляция образования биопленок P. aeruginosa PAO1 pME6000при низких концентрациях перекиси водорода.

22. 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.

23. 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.

24. Фураноны

25. «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.

26. 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.