Феномен «Quorum Sensing» у бактерий

1.

ФЕНОМЕН «QUORUM
SENSING» У БАКТЕРИЙ
Докладчик: Аменицкая Софья 500-03
Преподаватель: Буданова Елена Вячеславовна

2.

Quorum Sensing (QS) – это особый тип регуляции экспрессии генов
бактерий, зависящий от плотности их популяции.
Различные виды бактерий используют QS для скоординированного
ответа, согласованного с локальной плотностью их популяции.
За последние 20 лет было установлено, что QS регуляция широко
распространена у бактерий различных таксономических групп и что
QS системы участвуют в контроле большого количества клеточных
процессов.

3.

QS системы включают в себя два обязательных компонента:
1) низкомолекулярные сигнальные молекулы –
аутоиндукторы, диффундирующие через клеточную стенку
2) рецепторные белки, с которыми аутоиндукторы
связываются.
При этом один вид бактерий может содержать различные
QS системы и использовать несколько типов сигнальных
молекул.

4.

При низкой плотности популяции бактерии продуцируют
базальный уровень АИ, при увеличении численности
популяции до критического уровня количество АИ
увеличивается, сигнальные молекулы накапливаются в
среде.
Когда их концентрация доходит до порогового значения, АИ
взаимодействуют с рецепторными белками. Комплексы
рецепторный белок-АИ связываются с промоторами геновмишеней.
В результате происходит активация экспрессии
специфических генов бактерии.

5.

Регуляторные системы QS типа участвуют:
- во взаимодействии бактерий с высшими организмами
- в регуляции вирулентности бактерий
- в синтезе метаболитов бактерий – токсинов, антибиотиков,
различных ферментов
- в устойчивости к лекарственным препаратам
- в формировании биопленок
- в споруляции бактерий

6.

Классификация QS систем по типам аутоиндукторов:
1. N-ацил-гомосеринлактоны (АГЛ)
у грамотрицательных бактерий

7.

Биолюминесценция у Vibrio fischeri (LuxI – LuxR система)
Синтаза АИ – белок LuxI, рецепторные белки – LuxR.
С увеличением популяции бактерий концентрация АИ достигает
пороговой, они взаимодействуют с LuxR рецепторами. Комплекс
связывается с промотором lux-оперона и индуцирует его
транскрипцию, активируя синтез люциферазы и испускание света.

8.

Синтез факторов вирулентности у Pseudomonas aeruginosa
(LasI – LasR система)
Синтаза АИ - LasI, рецепторные белки – LasR.
Комплекс АИ с LasR активирует синтез факторов вирулентности,
разрушающих ткани организма – эластазы, экзотоксина,
протеазы, щелочной фосфатазы.

9.

Не все грамотрицательные бактерии могут использовать QS
системы, функционирующие с участием N-ацилгомосеринлактонов.
Однако некоторые из них могут отвечать на сигналы других
бактерий, таким образом взаимодействуя с ними. Это,
например, E. Coli и Salmonella, у которых были обнаружены
белки-рецепторы SdiA к “чужим” аутоиндукторам.

10.

Классификация QS систем по типам аутоиндукторов:
2. АУТОИНДУКТОРЫ-2 (АИ-2)
у грамположительных и грамотрицательных бактерий

11.

QS системы, включающие АИ-2, участвуют в
контроле вирулентности ряда бактерий,
например, возбудителя холеры Vibrio
cholerae, энтеропатогенных штаммов E. coli,
в регуляции споруляции у Bacillus subtilis.

12.

Классификация QS систем по типам аутоиндукторов:
3. АИ ПЕПТИДНОЙ ПРИРОДЫ (АИП)
у грамположительных бактерий

13.

QS системы, включающие АИП,
принимают участие в контроле
вирулентности у Staphylococcus aureus,
регуляции компетентности (способности
принимать экзогенную ДНК при
трансформации) у Streptococcus
pneumoniae, регуляции компетентности и
споруляции y Bacillus subtilis.

14.

У S. aureus система этого типа участвует в регуляции синтеза
факторов вирулентности, белков, способствующих адгезии и
колонизации бактерий, синтезе токсинов, протеаз.
Интересно, что внутри вида S. aureus описаны четыре группы,
синтезирующие АИП различного аминокислотного состава.
Каждый тип АИП активирует собственный рецепторный белок, при
этом подавляя активацию белков-рецепторов у трех остальных
групп. Таким образом, АИП каждой группы стафилококков
подавляет вирулентность остальных трех групп.

15.

Коммуникация бактерий в природных
условиях с участием QS систем
Усиление патогенности бактерий
При совместном инфицировании бактериями Pseudomonas
aeruginosa и Burkholderia cepacia патогенность В. серасіа
усиливалась за счет аутоиндукторов P. aeruginosa.
Исходя из этого, возможны ситуации, когда взаимодействие
непатогенных и слабо патогенных бактерий может привести к
развитию инфекции.

16.

Коммуникация бактерий в природных
условиях с участием QS систем
Конкуренция между микроорганизмами одной
экосистемы
Бактерии ризосферы растений продуцируют аутоиндукторы,
с помощью которых могут обмениваться информацией,
важной для конкурентных отношений между
микроорганизмами.

17.

Коммуникация бактерий в природных
условиях с участием QS систем
Образование биопленок
Биопленки – это микробные сообщества, связанные с
поверхностью; могут содержать бактерии одного и разных видов.
Коммуникация с помощью сигнальных молекул в биопленках
происходит более эффективно, чем у отдельно растущих
бактерий.
Таким образом, существование бактерий в составе биопленок
повышает их резистентность к действию антибактериальных
препаратов, дезинфектантов, иммунной защите организма.

18.

Коммуникация бактерий в природных
условиях с участием QS систем
Конкуренция между бактериями
Ряд бактерий способен синтезировать ферменты, разлагающие
АИ. Предполагают, что ингибирование QS систем с помощью этих
ферментов является распространенным механизмом, который
бактерии используют для конкуренции друг с другом.

19.

QS регуляция – мишень для борьбы с
патогенными бактериями
Благодаря изучению этой регуляторной системы появилась
новая стратегия создания лекарственных препаратов,
направленная на ее подавление – “антипатогенных ядов”.
Эти препараты также могут применяться для включения в
материал, из которого изготовляют имплантируемые
устройства (например, искусственные клапаны сердца),
катетеры и др.
Кроме того, подобные лекарственные препараты призваны
подавлять образование биопленок, усложняющих лечение
инфекционных заболеваний.

20.

QS регуляция – мишень для борьбы с
патогенными бактериями
Способы ингибирования QS системы:
1. Конкурентные ингибиторы, структурно сходные с АИ
(производные фуранонов)
2. Вещества, подавляющие синтез АИ (внедрение структурных
аналогов их субстратов)
3. Ферменты, разрушающие АИ (N-ацил-гомосерин-лактоназы)
4. Олигопептидов – репрессоров QS у грамположительных
бактерий

21.

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!
Использованная литература:
1. Хмель И.А., Белик А.С., Зайцева Ю.В., Данилова Н.Н. // QUORUM SENSING И КОММУНИКАЦИЯ БАКТЕРИЙ // Институт молекулярной генетики РАН // ВЕСТН. МОСК. УН-ТА. СЕР. 16.
БИОЛОГИЯ. 2008. № 1
2. Анухов И. В. // СТРУКТУРА LUX-ОПЕРОНОВ И МЕХАНИЗМЫ РЕГУЛЯЦИИ ТИПА «QUORUM SENSING» У МОРСКИХ БАКТЕРИЙ // Автореферат диссертации на соискание ученой степени
доктора биологических наук Москва – 2011 // ФГУП «ГосНИИгенетика»
3. Ларюшина И. Э. // Основные механизмы «чувства кворума» и их реализация в мультимикробном сообществе (обзор) // Федеральный научный центр биологических систем и
агротехнологий Российской академии наук (г. Оренбург) // Животноводствоикормопроизводство 2020 Т. 103 № 4/ Animal Husbandry and Fodder Production 2020 Vol. 103 Is. 4
4. Гинцбург А.Л., Ильина Т.С., Романова Ю. М. 2003. "Quorum sensing" или социальное поведение бактерий // Журн. микробиол., эпидемиол. и иммунол. № 5.
5. Завильгельский Г. Б., Манухов И. В. 2001. "Quorum sensing", или Как бактерии "разговаривают" друг с другом // Молекуляр. биология. 35.
6. Ильина Т.С., Романова Ю.М., Гинцбург А.Л. 2004. Биопленки как способ существования бактерий в окружающей среде и организме хозяина: феномен, генетический контроль и
системы регуляции их развития // Генетика. 40.
7. Хмель И.А., Метлицкая А.3. 2006. Quorum sensing регуляция экспрессии генов - перспективная мишень для создания лекарств против патогенности бактерий // Молекуляр. биология.
40.