IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Бактериальные клетки способны воспринимать различные внеклеточные сигналы, что ведёт к изменению их активности, зачастую путём индукции или репрессии экспрессии генов. Некоторые виды бактерий могут синтезировать и обнаруживать специализированные низкомолекулярные сигнальные факторы, аутоиндукторы (АИ), обеспечивающие активацию целевых генов при достижении пороговой плотности популяции. Этот бактериальный механизм, первоначально обнаруженный у морской бактерии Vibrio fischeri, был назван «Quorum Sensing» (QS) или «чувство кворума». У грамотрицательных бактерий QS представляет собой двухкомпонентную систему, включающую синтазу аутоиндуктора, представленную белками семейства LuxI, и рецепторный белок, являющийся транскрипционным активатором, представленный белками семейства LuxR. Среди различных аутоиндукторов наибольшую роль для грамотрицательных бактерий представляют гомосеринлактоны (ГСЛ) [1].

Неоднократно были подтверждены сведения о том, что разнообразные проявления бактериальных фенотипов, таких как биолюминесценция, споруляция, образование биопленки, конъюгация, движение, производство антибиотиков, регулируются сигнальными молекулами системы QS. Потенциальная роль QS в проявлении вирулентности была изучена у различных патогенов [2]. Было выявлено, что у бактерий Escherichiacoli O157:H7, экспрессия системы секреции III типа и других факторов вирулентности опосредуется аутоиндуктором третьего типа (AI-3). Показано, что регуляторные молекулы АИ-2 Yersinia pestis, возбудителя чумы, также регулируют экспрессию генов, играющих важную роль в заболевании [3]. У бактерий Porphyromonas gingivalis мутация гена luxS, ответственного за синтез АИ, снижала экспрессию двух цистеиновых протеаз, предполагаемых факторов вирулентности. Инактивация гена luxS у бактерий Neisseriameningitidis приводила к снижению способности вызывать бактериемию у крысят [1].

С помощью транскриптомного анализа было установлено, что более 90 генов Pseudomonas aeruginosa, вызывающих тяжелые инфекции дыхательных путей, находятся под контролем системы QS. «Чувство кворума» регулирует производство нескольких внеклеточных факторов вирулентности псевдомонад, среди которых секретируемые факторы (протеазы), полисахариды, жгутики и образование биоплёнок. Инфекции, вызванные P. aeruginosa трудно излечить, из-за высокой устойчивости биопленок к антибиотикам, а также ввиду защиты входящих в них микроорганизмов от фагоцитов и системы комплемента организма-хозяина [4, 5]. Выявлено три различных АИ P. aeruginosa, влияющих на способность вызывать заболевания: N-3-оксододеканоил-гомосеринлактон, N-бутаноил-гомосеринлактон и 2-гептил-3-гидроксил-4-хинолон. Исследования, проведенные на животных, показали, что мутантные штаммы P. aeruginosa, лишенные генов rhlI и lasI, ответственных на синтез и восприятие АИ, вызывают меньше поражений тканей и снижают смертность по сравнению с штаммами дикого типа, что указывает на важную роль АИ в патогенезе P. aeruginosa [5]. Показано также, что некоторые регуляторы экспрессии факторов вирулентности непосредственно взаимодействуют с клетками-хозяевами. АИ охо-C12-ГСЛ индуцирует секрецию интерлейкина (IL-8) из человеческих бронхиальных эпителиальных клеток. Он также ингибирует пролиферацию лимфоцитов, снижает регуляцию образования фактора некроза опухолей (TNF-) и IL-12 и активирует Т-клетки для продуцирования гамма-интерферона. Существует мнение, что эта молекула не только усиливает экспрессию генов вирулентности, но также регулирует ответ иммунной системы на инфекцию, охо-C12-ГСЛ индуцирует апоптоз в макрофагах и нейтрофилах [5].

Системы чувства кворума были описаны и у фитопатогенов Еrwinia amylovora. Это грамотрицательные бактерии из семейства Enterobacteriaceae, возбудители серьезных болезней растений, зачастую служащие причиной глобального ущерба коммерческих производств яблок и груш. Последние результаты показали, что в качестве регуляторных молекул, ответственных за образование биопленок, E. amylovora используют ГСЛ. Инактивация белка luxS у некоторых штаммов E. amylovora, влияет на некоторые фенотипические признаки, включая вирулентность [6]. QS фитопатогена Erwiniacarotovora контролирует производство основных детерминантов вирулентности, ферментов, разрушающих растительную клетку [7].

Помимо этого, возрастает интерес к изучению межвидовых бактериальных взаимодействий при заболеваниях животных и растений, так как считается, что подавляющее большинство бактерий в природе живут в сложных сообществах.

В качестве модели для изучения механизма полимикробного взаимодействия фитопатогенных бактерий, учеными была выбрана болезнь, приводящая к образованию узлов в надземных частях оливковых деревьев. Данные образования составляют идеальную нишу не только для бактерий Pseudomonas savastanoi, которые являются возбудителями заболевания, но и для других ассоциированных бактерий, в основном из родов Pantoea, Pectobacterium, Еrwinia и Curtobacterium. Представители данных родов формируют устойчивые межвидовые сообщества с P. savastanoi и взаимодействую друг с другом через систему QS с помощью ГСЛ. Erwinia toletana так же как P. savastanoi производят охо-С6-ГСЛ и охо-C8-ГСЛ, Pantoea agglomerans синтезируют С4-ГСЛ и С6-ГСЛ, Erwinia oleae С6-СГЛ и C8-ГСЛ. Продукция бактериями схожих ГСЛ, предполагает, что они могут использовать сигнальные молекулы других, ассоциированных бактерий, что способствует повышению их вирулентности [8].

Существуют данные о том, что в желудочно-кишечной среде внутривидовая и межвидовая сигнализации модулирует бактериальный рост и вирулентность патогенных бактерий. Однако бактерии Salmonella spp., вызывающие кишечные заболевания, как и некоторые другие представители семейства Enterobacteriaceae, не имеют гомологов гена luxI или какого-либо другого члена семейства ГСЛ синтаз. Вместо этого сальмонеллы используют рецепторный белок SdiA, который способен воспринимать ГСЛ, продуцируемые другими видами бактерий [9]. Полученные данные свидетельствуют о том, что, в кишечнике млекопитающих могут существовать бактерии, которые секретируют небольшие количества ГСЛ. Воспринимая ГСЛ других бактерий S. typhimurium стимулируют образование биопленки путём регуляции биосинтеза гликогена (glgC), фимбрий (fliF, lpfA и fimF) и генов островка патогенности 1 (SPI-1), в том числе гена резистентности системы комплемента (rck), одного из ключевых факторов гуморального иммунитета [5].

Таким образом, вирулентность патогенных микроорганизмов, проявляющаяся в результате экспрессии ряда генов, индуцируемых в ответ на регуляторные молекулы, обусловливает новое направление исследований нацеленных на создание антибактериальных препаратов блокирующих действия сигнальных молекул в кворум-зависимых системах.

Список литературы

1 Гинцбург А. Л., Романова Ю. М., Ильина Т. С. «Quorum sensing» или социальное поведение бактерий. Микробиология 2003;5:86-93.

2 Jeongjoon C., Dongwoo S., Sangryeol R. Implication of Quorum Sensing in Salmonella enterica Serovar Typhimurium Virulence: the luxS Gene Is Necessary for Expression of Genes in Pathogenicity Island 1. Infect Immun. 2007;75(10):4885-4890.

3 Yu J., Madsen M. L., Carruthers M. D., Phillips G. J., Kavanaugh J. S., Boyd J. M., Horswill A. R., Minion F. C. Analysis of autoinducer-2 quorum sensing in Yersinia pestis. Infect Immun. 2013;81(11):4053-62.

4 Gomez P. J. Quorum-sensing in Pseudomonas aeruginosa and Salmonella: Active natural compounds as antagonists. Communicating Current Research and Educational Topics and Trends in Applied Microbiology. 2007;1:41-51.

5 Rutherford S.T., Bonnie L. B. Bacterial Quorum Sensing: Its Role in Virulence and Possibilities for Its Control. Cold Spring Harb Perspect Med. 2012;2(11):PMCID: PMC3543102

6 Pique N., Minana-Galbis D., Merino S. Virulence Factors of Erwinia amylovora: A Review. Int J. Mol Sci. 2015;16(6):12836-12854.

7 Sjoblom S., Harjunpaa H., Brader G., Palva E. T. A novel plant ferredoxin-like protein and the regulator Hor are quorum-sensing targets in the plant pathogen Erwinia carotovora. Mol. Plant. Microbe Interact. 2008;21(7):967-78.

8 Buonaurio R., Moretti C., Passos da Silva D., Cortese C., Ramos C., Venturi V. The olive knot disease as a model to study the role of interspecies bacterial communities in plant disease. Front Plant Sci. 2015;6:434-438

9 Michael B., Smith J. N., Swift S., Heffron F., Ahmer B. M. SdiA of Salmonella enterica is a LuxR homolog that detects mixed microbial communities. Journal of bacteriology 2011;183:5733-5742.

Код для цитирования: Скопировать