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

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 обязательных компонента: низкомолекулярный регулятор (ауто индуктор, 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.

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

4 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.

5

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 копийности плазмид приводит к увеличению опухоль образования. - 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 LasLasI LasLasI LasI – N-(3-оксо)-С12-HSL Экспрессия более 600 генов RhlI – N-C4-HSL регулируется QS

9

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 грамположительных бактерий

12 Схема QS регуляции у S. aureus

13 Бутиролактон Streptomyces (A-фактор S. griseus)

14 III. AI-2 Фуранозил борат диэфир (Vibrio harveyi) (грамположительные и грамотрицательные бактерии)

15

16 Схема синтеза AI-2

17

18 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.

19 АГЛ-лактоназы

20 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.

21 Стимуляция образования биопленок P. aeruginosa PAO1 pME6000 при 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 ауто индукторов. 2. Подавление связывания ауто индукторов с рецепторными белками. Фураноны. 3. Деградация ауто индукторов – 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.