Autoinduktor - Autoinducer

Autoinduktory są cząsteczkami sygnałowymi, które są wytwarzane w odpowiedzi na zmiany gęstości populacji komórek. Wraz ze wzrostem gęstości komórek bakteryjnych quorum sensing rośnie również stężenie autoinduktora. Wykrywanie cząsteczek sygnałowych przez bakterie działa jak stymulacja, która prowadzi do zmienionej ekspresji genów po osiągnięciu minimalnego progu. Wyczuwanie kworum to zjawisko, które pozwala bakteriom Gram-ujemnym i Gram-dodatnim wyczuwać się nawzajem i regulować szeroką gamę czynności fizjologicznych. Takie działania obejmują symbiozę , zjadliwość , ruchliwość , produkcję antybiotyków i tworzenie biofilmu . Autoinduktory występują w wielu różnych formach w zależności od gatunku, ale ich efekt jest w wielu przypadkach podobny. Autoinduktory umożliwiają bakteriom komunikację zarówno w obrębie różnych gatunków, jak i między nimi. Ta komunikacja zmienia ekspresję genów i pozwala bakteriom na skoordynowane reakcje na ich środowisko, w sposób porównywalny z zachowaniem i sygnalizacją w organizmach wyższych . Nic dziwnego, że zasugerowano, że wykrywanie kworum mogło być ważnym ewolucyjnym kamieniem milowym, który ostatecznie dał początek wielokomórkowym formom życia.

Odkrycie

Termin „autoindukcja” został po raz pierwszy ukuty w 1970 roku, kiedy zaobserwowano, że bioluminescencyjna morska bakteria Vibrio fischeri wytwarzała luminescencyjny enzym ( lucyferazę ) tylko wtedy, gdy kultury osiągnęły próg gęstości populacji. W niskich stężeniach komórek V. fischeri nie eksprymował genu lucyferazy. Jednakże, gdy kultury osiągnęły wykładniczą fazę wzrostu, gen lucyferazy był szybko aktywowany. Zjawisko to nazwano „autoindukcją”, ponieważ obejmowało cząsteczkę (autoinduktor), która akumulowała się w pożywce i indukowała syntezę składników systemu luminescencyjnego. Kolejne badania ujawniły, że faktycznym autoinduktorem stosowanym przez V. fischeri jest cząsteczka sygnałowa acylowanego laktonu homoseryny (AHL).

Mechanizm

W najbardziej uproszczonych systemach quorum sensing bakterie potrzebują tylko dwóch składników, aby wykorzystać autoinduktory. Potrzebują sposobu na wytworzenie sygnału i odpowiedzi na ten sygnał. Te procesy komórkowe są często ściśle skoordynowane i obejmują zmiany w ekspresji genów. Produkcja autoinduktorów generalnie wzrasta wraz ze wzrostem gęstości komórek bakteryjnych. Większość sygnałów jest wytwarzana wewnątrzkomórkowo, a następnie wydzielana do środowiska zewnątrzkomórkowego. Wykrywanie autoinduktorów często wiąże się z dyfuzją z powrotem do komórek i wiązaniem się ze specyficznymi receptorami . Zwykle wiązanie autoinduktorów z receptorami nie występuje, dopóki nie zostanie osiągnięte progowe stężenie autoinduktorów. Gdy to nastąpi, związane receptory zmieniają ekspresję genów bezpośrednio lub pośrednio. Niektóre receptory same w sobie są czynnikami transkrypcyjnymi , podczas gdy inne przekazują sygnały do ​​dalszych czynników transkrypcyjnych. W wielu przypadkach autoinduktory uczestniczą w sprzężeniu zwrotnym do przodu, w którym małe początkowe stężenie autoinduktora wzmacnia wytwarzanie tego samego sygnału chemicznego do znacznie wyższych poziomów.

Klasy

Acylowane laktony homoseryny

Wytwarzane głównie przez bakterie Gram-ujemne, acylowane laktony homoseryny (AHL) to klasa małych obojętnych cząsteczek lipidów składających się z pierścienia laktonu homoseryny z łańcuchem acylowym. AHL wytwarzane przez różne gatunki bakterii Gram-ujemnych różnią się długością i składem acylowego łańcucha bocznego, który często zawiera od 4 do 18 atomów węgla. AHL są syntetyzowane przez syntazy AHL. Dyfundują do iz komórek zarówno poprzez pasywny, jak i aktywny transport . Receptory AHL obejmują szereg regulatorów transkrypcji zwanych „białkami R”, które działają jako czynniki transkrypcyjne wiążące DNA lub kinazy sensoryczne .

Peptydy

Bakterie Gram-dodatnie uczestniczące w wykrywaniu kworum zazwyczaj wykorzystują wydzielane oligopeptydy jako autoinduktory. Autoinduktory peptydowe są zwykle wynikiem modyfikacji potranslacyjnej większej cząsteczki prekursorowej. U wielu bakterii Gram-dodatnich sekrecja peptydów wymaga wyspecjalizowanych mechanizmów eksportu. Na przykład, niektóre autoinduktory peptydowe są wydzielane przez transportery kasetowe wiążące ATP, które łączą obróbkę proteolityczną i eksport komórkowy. Po sekrecji autoinduktory peptydowe gromadzą się w środowiskach pozakomórkowych. Po osiągnięciu progowego poziomu sygnału, kinaza białkowa z czujnikiem histydynowym dwuskładnikowego układu regulacyjnego wykrywa go i sygnał jest przekazywany do komórki. Podobnie jak w przypadku AHL, sygnał ostatecznie zmienia ekspresję genów. Jednak w przeciwieństwie do niektórych AHL większość oligopeptydów sama w sobie nie działa jako czynniki transkrypcyjne.

Diester boranu furanozylu

Wolno żyjąca, bioluminescencyjna bakteria morska, Vibrio harveyi , oprócz acylowanego laktonu homoseryny wykorzystuje inną cząsteczkę sygnałową. Ta cząsteczka, zwana Autoinduktorem-2 (lub AI-2) jest diestrem furanozyloboranu. Uważa się, że AI-2, który jest również produkowany i używany przez wiele bakterii Gram-ujemnych i Gram-dodatnich, jest ewolucyjnym ogniwem między dwoma głównymi typami obwodów wykrywania kworum.

W bakteriach Gram-ujemnych

Jak wspomniano, bakterie Gram-ujemne wykorzystują głównie acylowane laktony homoseryny (AHL) jako cząsteczki autoinduktora. Minimalny obwód wykrywania kworum u bakterii Gram-ujemnych składa się z białka, które syntetyzuje AHL i drugiego, innego białka, które je wykrywa i powoduje zmianę w ekspresji genów. Po raz pierwszy zidentyfikowane w V. fischeri , te dwa takie białka to odpowiednio LuxI i LuxR. Inne bakterie Gram- ujemne wykorzystują białka podobne do LuxI i LuxR ( homologi ) , co sugeruje wysoki stopień zachowania ewolucyjnego . Jednak wśród Gram-ujemnych obwód typu LuxI/LuxI został zmodyfikowany w różnych gatunkach. Opisane bardziej szczegółowo poniżej, modyfikacje te odzwierciedlają adaptacje bakterii do wzrostu i reagowania na określone środowiska niszowe .

Vibrio fischeri : bioluminescencja

Z ekologicznego punktu widzenia , V. fischeri ma symbiotyczne powiązania z wieloma gospodarzami eukariotycznymi, w tym z kałamarnicą bobtail ( Euprimna scolopes ). W tym związku żywiciel kałamarnicy utrzymuje bakterie w wyspecjalizowanych organach świetlnych. Gospodarz zapewnia bakteriom bezpieczne, bogate w składniki odżywcze środowisko, a bakterie z kolei dostarczają światło. Chociaż bioluminescencję można wykorzystać do godów i innych celów, w E. scolopes jest używana do przeciwoświetlenia, aby uniknąć drapieżników.

Cząsteczka autoinduktora stosowana przez V. fischeri to lakton N-(3-oksoheksanoilo)-homoseryny. Cząsteczka ta jest wytwarzana w cytoplazmie przez enzym syntazy LuxI i jest wydzielana przez błonę komórkową do środowiska zewnątrzkomórkowego. Jak w przypadku większości autoinduktorów, środowiskowe stężenie laktonu N-(3-oksoheksanoilo)-homoseryny jest takie samo jak stężenie wewnątrzkomórkowe w każdej komórce. Lakton N-(3-oksoheksanoilo)-homoseryny ostatecznie dyfunduje z powrotem do komórek, gdzie jest rozpoznawany przez LuxR po osiągnięciu stężenia progowego (~10 μg/ml). LuxR wiąże autoinduktor i bezpośrednio aktywuje transkrypcję operonu luxICDABE . Powoduje to wykładniczy wzrost zarówno produkcji autoinduktora, jak i bioluminescencji. LuxR związany przez autoinduktor hamuje również ekspresję luxR , który, jak się uważa, zapewnia kompensacyjny mechanizm ujemnego sprzężenia zwrotnego , aby ściśle kontrolować poziomy genów bioluminescencji.

Pseudomonas aeruginosa : zjadliwość i produkcja antybiotyków

P. aeruginosa jest oportunistycznym ludzkim patogenem związanym z mukowiscydozą . W przypadkuinfekcji P. aeruginosa quorum sensing ma kluczowe znaczenie dla tworzenia i patogenności biofilmu. P. aeruginosa zawiera dwie pary homologów LuxI/LuxR, LasI/LasR i RhlI, RhlR. LasI i RhlI są enzymami syntazy, które katalizują syntezę, odpowiednio, laktonu N-(3-oksododekanoilo)-homoseryny i laktonu N-(butyrylo)-homoseryny. Obwody LasI/LasR i RhlI/RhlR działają wspólnie, regulując ekspresję szeregu genów wirulencji. W stężeniu progowym, LasR wiąże lakton N-(3-oksododekanoilo)-homoseryny. Razem ten związany kompleks promuje ekspresję czynników wirulencji, które są odpowiedzialne za wczesne etapy procesu infekcji.

LasR związany przez swój autoinduktor aktywuje również ekspresję układu RhlI/RhlR w P. aeruginosa . Powoduje to ekspresję RhlR, która następnie wiąże swój autoinduktor, lakton N-(butrylo)-homoseryny. Z kolei RhlR związany z autoinduktorem aktywuje drugą klasę genów zaangażowanych w późniejsze etapy infekcji, w tym geny potrzebne do produkcji antybiotyków. Przypuszczalnie produkcja antybiotyków przez P. aeruginosa służy do zapobiegania oportunistycznym infekcjom wywołanym przez inne gatunki bakterii. Lakton N-(3-oksododekanoilo)-homoseryny zapobiega wiązaniu laktonu N-(butrylo)-homoseryny z jego pokrewnym regulatorem, RhlR. Uważa się, że ten mechanizm kontroli umożliwia P. aeruginosa inicjowanie kaskad quorum-sensing sekwencyjnie iw odpowiedniej kolejności, tak aby mógł nastąpić prawidłowy cykl infekcji.

Inne autoinduktory gram-ujemne

• P. aeruginosa wykorzystuje również 2-heptyl-3-hydroksy-4-chinolon (PQS) do wykrywania kworum. Ta cząsteczka jest godna uwagi, ponieważ nie należy do klasy autoinduktorów laktonów homoseryny. Uważa się, że PQS zapewnia dodatkowe powiązanie regulacyjne między obwodami Las i Rhl zaangażowanymi w zjadliwość i infekcję.
• Agrobacterium tumefaciens jest patogenem roślinnym, który indukuje nowotwory u podatnych żywicieli. Zakażenie A. tumefaciens obejmuje transferplazmidu onkogennego z bakterii do jądra komórki gospodarza, podczas gdy quorum sensing kontroluje transfer małżeński plazmidów między bakteriami. Z drugiej strony koniugacja wymaga autoinduktora HSL, laktonu N-(3-oksooktanoilo)-homoseryny.
• Erwinia carotovora to kolejny patogen roślin, który powoduje chorobę miękkiej zgnilizny. Bakterie te wydzielają celulazy i pektynazy, które są enzymami degradującymi ściany komórkowe roślin. ExpI/ExpR są homologami LuxI/LuxR w E. carotovora, uważa się, że kontrolują wydzielanie tych enzymów tylko wtedy, gdy osiąga się wystarczająco wysoką lokalną gęstość komórek. Autoinduktorem zaangażowanym w wykrywanie kworum w E. carotovora jest lakton N-(3-oksoheksanoilo)-L-homoseryny.

W bakteriach Gram-dodatnich

Podczas gdy bakterie Gram-ujemne wykorzystują głównie acylowane laktony homoseryny, bakterie Gram-dodatnie zazwyczaj wykorzystują oligopeptydy jako autoinduktory do wykrywania kworum. Cząsteczki te są często syntetyzowane jako większe polipeptydy, które są cięte potranslacyjnie w celu wytworzenia „przetworzonych” peptydów. W przeciwieństwie do AHL, które mogą swobodnie dyfundować przez błony komórkowe, autoinduktory peptydowe zwykle wymagają wyspecjalizowanych mechanizmów transportowych (często transporterów ABC). Ponadto nie dyfundują swobodnie z powrotem do komórek, więc bakterie, które ich używają, muszą mieć mechanizmy wykrywania ich w środowisku pozakomórkowym. Większość bakterii Gram-dodatnich wykorzystuje dwuskładnikowy mechanizm sygnalizacji w wykrywaniu kworum. Wydzielane autoinduktory peptydowe gromadzą się w funkcji gęstości komórek. Po osiągnięciu poziomu kworum autoinduktora, jego interakcja z kinazą czujnika w błonie komórkowej inicjuje serię zdarzeń fosforylacji , których kulminacją jest wewnątrzkomórkowa fosforylacja białka regulatorowego. To białko regulatorowe działa następnie jako czynnik transkrypcyjny i zmienia ekspresję genów. Podobnie jak w przypadku bakterii Gram-ujemnych, system autoindukcji i wykrywania kworum u bakterii Gram-dodatnich jest zachowany, ale ponownie, poszczególne gatunki dostosowały określone aspekty do przetrwania i komunikowania się w unikalnych środowiskach niszowych.

Streptococcus pneumoniae : kompetencje

S. pneumoniae to ludzka patogenna bakteria, w której proces transformacji genetycznejzostał po raz pierwszy opisany w latach 30. XX wieku. Aby bakteria mogła pobierać egzogenne DNA ze swojego otoczenia, musi stać się kompetentna . W przypadku S. pneumoniae , aby osiągnąć kompetentny stan, musi wystąpić szereg złożonych zdarzeń, ale uważa się, że istotną rolę odgrywa quorum sensing. Peptyd stymulujący kompetencje (CSP) jest 17-aminokwasowym autoinduktorem peptydowym wymaganym do kompetencji i późniejszej transformacji genetycznej. CSP jest wytwarzany przez proteolityczne cięcie 41-aminokwasowego peptydu prekursorowego (ComC); jest wydzielany przez transporter ABC (ComAB); i jest wykrywany przez białkową kinazę czujnika (ComD) po osiągnięciu stężenia progowego. Po wykryciu następuje autofosforylacja ComD, która z kolei fosforyluje ComE. ComE jest regulatorem odpowiedzi odpowiedzialnym za aktywację transkrypcji comX , którego produkt jest niezbędny do aktywacji transkrypcji szeregu innych genów zaangażowanych w rozwój kompetencji.

Bacillus subtilis : kompetencje i zarodnikowanie

B. subtilis to żyjący w glebie drobnoustrój, który wykorzystuje quorum sensing do regulowania dwóch różnych procesów biologicznych: kompetencji i zarodnikowania . Podczas stacjonarnej fazy wzrostu, gdy B. subtilis ma wysoką gęstość komórek, około 10% komórek w populacji jest indukowanych do kompetentnych. Uważa się, że ta subpopulacja staje się kompetentna do pobierania DNA, które potencjalnie może być użyte do naprawy uszkodzonych (zmutowanych) chromosomów . ComX (znany również jako czynnik kompetencji) to 10-aminokwasowy peptyd, który jest przetwarzany z 55-aminokwasowego prekursora peptydowego. Jak większość autoinduktorów, ComX jest wydzielany i gromadzi się w funkcji gęstości komórek. Po osiągnięciu progowego poziomu pozakomórkowego, ComX jest wykrywany przez dwuskładnikową parę sensora ComP/ComA kinaza/regulator odpowiedzi. Fosforylacja ComA aktywuje ekspresję genu comS , ComS hamuje degradację ComK i wreszcie ComK aktywuje ekspresję szeregu genów wymaganych do kompetencji.

Z drugiej strony, zarodnikowanie jest fizjologiczną odpowiedzią B. subtilis na wyczerpanie składników odżywczych w określonym środowisku. Jest również regulowany przez sygnalizację zewnątrzkomórkową. Kiedy populacje B. subtilis wyczuwają zanikające warunki, reagują poprzez przechodzenie asymetrycznego podziału komórek. To ostatecznie wytwarza zarodniki, które są przystosowane do rozprzestrzeniania się i przetrwania w niesprzyjających warunkach. Sporulacji w B. subtilis pośredniczy CSF (czynnik sporulacji), pentapeptyd odcięty od prekursorowego peptydu PhrC. CSF jest wydzielany do środowiska zewnątrzkomórkowego i jest pobierany z powrotem do komórek przez transporter ABC Opp, gdzie działa wewnątrzkomórkowo. Podczas gdy niskie wewnętrzne stężenia płynu mózgowo-rdzeniowego przyczyniają się do kompetencji, wysokie stężenia wywołują sporulacji. CSF hamuje fosfatazę RabB, która zwiększa aktywność Spo0A, sprzyjając przejściu z kompetencji na szlak sporulacji

Bibliografia