QS-Регуляция экспрессии генов: основные сведения
В последние годы внимание многочисленных исследователей, работающих с микроорганизмами в различных областях биологии и медицины, обращено на явление, получившее название Quorum Sensing (QS). Этот термин так и не был удовлетворительно переведен на русский язык.
Quorum Sensing (QS) - это особый тип регуляции экспрессии генов бактерий, зависящей от плотности их популяции. QS системы включают низкомолекулярные сигнальные молекулы, названные аутоиндукторами (AI) , легко диффундирующие через клеточную стенку, и регуляторные белки, с которыми связываются аутоиндукторы. По мере того, как популяция бактерий увеличивается и достигает критического уровня, AI накапливаются до необходимого порогового значения и взаимодействуют с соответствующими регуляторными белками, что приводит к резкой активации (индукции) экспрессии определенных генов у бактерий. При помощи AI осуществляется коммуникация бактерий - передача информации между отдельными клетками бактерий, принадлежащих к одному и тому же или к разным видам, родам и даже семействам; поэтому сигнальные молекулы считают "словами" в этом своеобразном "языке" бактерий.
Благодаря QS регуляции бактерии получают возможность скоординированно контролировать экспрессию генов во всем сообществе. В подобном поведении бактерий проявляются черты сходства с многоклеточными организмами: бактерии используют преимущества "социального" поведения, которые не были доступны им как индивидуальным клеткам. Передача информации от клетки к клетке с использованием QS систем, которая приводит к индукции специализированных наборов генов, способствует быстрой адаптации популяций бактерий к меняющимся условиям среды и их выживанию в природных условиях [ Fuqua et al. 1996 ; De Kievit and Iglevski, 2000 ; Miller and Bassler, 2001 ; Завильгельский и Манухов, 2001 ; Schauder and Bassler, 2001 ; Гинцбург и др. 2003 ; Ahmer, 2004 ; Henke and Bassler, 2004 ; March and Bentley, 2004 ; Waters and Bassler, 2005 ].
Впервые QS регуляция обнаружили в начале 70-х годов у светящейся морской бактерии Vibrio fischeri . Способность этой бактерии к биолюминесценции синтезом люциферазы , кодируемой lux опероном (luxCDABE) , и биолюминесценция наблюдается только при высокой плотности популяции бактерий (до 10 в степени 11 клеток/мл). V. fischeri живет в симбиозе с некоторыми морскими животными в специализированном световом органе животного. В этой симбиотической ассоциации животное-хозяин обеспечивает бактерию богатой питательной средой, а бактерия хозяина - светом. Каждый эукариотический организм использует свет для своих специфических целей. Например, головоногий моллюск Euprymna scolopes , освещая себя при помощи V. fischeri, не отбрасывает тени при свете луны и звезд, что помогает ему спасаться от врагов. Рыба Monocentris japonicus использует свет для привлечения партнера [ Miller and Bassler, 2001 ].
Довольно долго считалось, что QS регуляция - это весьма редкий случай, однако выяснилось, что этот тип регуляции широко распространен у бактерий различных таксономических групп. В настоящее время QS регуляция обнаружена у более чем 50 видов бактерий Miller and Bassler, 2001 ; Schauder and Bassler, 2001 ; March and Bentley, 2004 ; Waters, Bassler, 2005 ; Веселова и др. 2003 . В качестве аутоиндукторов QS систем бактерии используют различные соединения, и количество вновь обнаруженных AI увеличивается. При этом один вид бактерий может использовать и узнавать более чем один тип сигнальных молекул.
В настоящее время показано, что регуляторные системы типа QS играют ключевую роль в различных процессах. Они участвуют во взаимодействии многих бактерий с высшими организмами - животными и растениями - в регуляции вирулентности , формировании биопленок , регуляции экспрессии генов, связанных с синтезом различных экзоферментов, токсинов, антибиотиков и других вторичных метаболитов, в конъюгации и др. Использование методов транскриптомного и протеомного анализа показало, что QS-системы функционируют как глобальные факторы регуляции. Исследование QS систем регуляции, их роли в метаболизме и взаимодействии бактерий определяет совершенно новый подход к изучению поведения бактерий в природных условиях. Эти исследования могут иметь огромное прикладное значение.
Особенно велика роль QS систем в регуляции процессов взаимодействия патогенных бактерий с эукариотическим организмом-хозяином. Инфекционный процесс начинается, когда популяция патогенных бактерий становится достаточно большой. При этом увеличение концентрации сигнальных молекул в среде приводит к синхронному синтезу факторов вирулентности, вызывающих разрушение тканей организма, что способствует успешному преодолению бактериями иммунного ответа организма-хозяина.
Способность бактерий формировать биопленки является существенным фактором патогенности. Биопленки - физические структуры с уникальными характеристиками, образуемые связанными с поверхностями микробными сообществами. Образование биопленок - это одна из основных стратегий, повышающих выживание бактерий в окружающей среде, в том числе в организме-хозяине. Способность бактерий существовать в составе биопленок создает большие трудности, так как при этом значительно повышается устойчивость бактерий к антибактериальным и дезинфицирующим средствам, к воздействию неблагоприятных факторов среды, таких как низкие или высокие значения pH, высокая осмотическая сила и др., а также к действию иммунной защиты организма-хозяина. Образование бактериальных биопленок на имплантируемом оборудовании (например, катетерах, искусственных клапанах сердца, линзах и др.) приводит к развитию ряда тяжелых, чрезвычайно трудно излечиваемых хронических заболеваний. Показано, что QS-регуляция играет важнейшую роль в формировании биопленок ( Costerton et al. 1999 ; Carter et al. 2003 ; Watnick and Kolter, 2000 ; Ильина и др. 2004 ; Singh et al. 2000 ; Zhu and Makalanos, 2003 ).
Тот факт, что QS может быть важным фактором регуляции вирулентности бактерий, обусловил новое направление исследований, связанного с использованием QS-регуляции в качестве потенциальной мишени для борьбы с инфекционными заболеваниями. Предполагается, что подавление функционирования QS систем может фактически превратить патогенные бактерии в непатогенные без применения антибиотиков и других лекарственных средств. В настоящее время этот подход рассматривается как новая перспективная стратегия антимикробной терапии.
