QS-Системы, использующие AI-2
Аутоиндуктор AI-2 впервые обнаружили в клетках Vibrio harveyi . Это соединение с необычной структурой (рис.4) [ Chen et al. 2002 ] накапливается во второй половине экспоненциальной фазы роста, но содержание его резко уменьшается при входе культуры в стационарную фазу.
Синтаза AI-2 - белок LuxS - кодируется геном luxS ; гены luxS высоко гомологичны у разных бактерий. Виды бактерий, которые содержат luxS гены, включают (но не ограничиваются) E. coli , Salmonella typhimurium , S. typhi , S. paratyphi , Haemophilus influenzae , Helicobacter pylori , Bacillus subtilis , Borrelia burgdorferi , Neisseria meningitidis , Yersinia pestis , Campylobacter jejuni , Vibrio cholerae , Mycobacterium tuberculosis , Enterococcus faecalis , Streptococcus pneumoniae , Staphylococcus aureus , Clostridium perfringens , Klebsiella pneumoniae и др. Фактически, ген luxS присутствует в половине всех секвенированных бактериальных геномов [ Miller and Bassler, 2001 ; Schauder and Bassler, 2001 ; Ahmer, 2004 ; Waters and Bassler, 2005 ; Surette et al. 1999 ].
AI-2 синтезируется в три стадии из S-аденозилметионина; субстратом для LuxS-синтазы является S-аденозилгомоцистеин, который превращается в аденин, гомоцистеин и 4,5-дигидрокси-2,3-пентандион (DPD) . Из DPD, весьма реактивного соединения, легко перестраивающегося и вступающего в дополнительные реакции, могут образоваться сигнальные молекулы, которые различные виды бактерий распознают как AI-2. Установлена структура еще одной сигнальной молекулы AI-2 у Salmonella typhimurium ; это вещество фурановой природы отличается от AI-2 V. harveyi , в том числе, отсутствием атома бора [ Waters and Bassler, 2005 ; Miller et al. 2004 ]. Показано, что эти два AI-2 и их предшественники, образуемые из DPD , в природных условиях могут находиться в равновесии и легко взаимопревращаться ( рис. 4 ). Предполагают, что появление бора в молекуле AI-2 V. harveyi может быть связано с высокой концентрацией этого элемента в морской воде, где обитает эта бактерия. В то же время концентрация бора в условиях обитания S. typhimurium значительно ниже. Наличие бора в молекуле AI-2 V. harveyi и его отсутствие в AI-2 S. typhimurium, по-видимому, существенно для действия этих аутоиндукторов в клетках продуцирующих их организмов [ Waters and Bassler, 2005 ; Miller et al. 2004 ].
Таким образом, эти пока еще немногочисленные исследования QS- систем, включающих аутоиндукторы типа AI-2, показали, что с помощью консервативного пути биосинтеза, использующего LuxS-синтазу, бактерии синтезируют интермедиаты сигнальных молекул, дальнейшая судьба которых может определяться особенностями окружающей среды. Такой путь биосинтеза различных сигнальных молекул представляется весьма экономным для развития "языка" бактерий [ Waters and Bassler, 2005 ].
Интересную особенность регуляции lux-оперона у Vibrio harveyi представляет участие в ней трех видов аутоиндукторов QS-систем, взаимодействующих между собой: AI-2, AHL (=HAI-1) ( табл. 1 ) и CAI-1 , структура которого неизвестна ( рис. 5 ) [ Waters and Bassler, 2005 ]. Синтазами этих аутоиндукторов являются белки LuxS , LuxM и CqsA , соответственно. Рецепторным белком для AI-2 служит LuxP , непосредственно связывающий AI-2. Комплекс LuxP-AI-2 взаимодействует с мембранносвязанной гистидинкиназой LuxQ . При низкой плотности популяции бактерий, когда содержание аутоиндукторов в клетках очень мало, три сенсорных киназы, LuxN , CqsS и LuxQ , фосфорилируются, и фосфат переносится на цитоплазматический белок LuxU , а затем на регуляторный белок LuxO , связывающийся с ДНК.
Далее, происходит сложная цепь событий, включающих активацию генов пяти маленьких регуляторных РНК белком фосфо-LuxO и сигма54-субъединицей РНК-полимеразы . Эти РНК взаимодействуют с РНК- шапероном - белком Hfq , что приводит к связыванию и дестабилизации мРНК активатора транскрипции LuxR . LuxR требуется для активации транскрипции lux-оперона Vibrio harveyi. При низкой плотности популяции бактерий мРНК гена luxR деградирует, и биолюминесценция отсутствует. При высокой плотности популяции бактерий количество аутоиндукторов сильно возрастает, что приводит к дефосфорилированию белка LuxO . Нефосфорилированный LuxO не может индуцировать экспрессию маленьких регуляторных РНК. В результате становится возможной трансляция мРНК luxR, синтез белка LuxR и биолюминесценция. Эта система регуляции контролирует также экспрессию многих других [ Waters and Bassler, 2005 ].
Роль AI-2 в регуляции клеточных процессов изучена еще очень мало. Система регуляции, сходная с описанной выше для V. harveyi , обнаружена у возбудителя холеры V. cholerae . Эта система участвует в контроле его вирулентности. У энтеропатогенных штаммов E. coli и S. pyogenes QS- система, включающая AI-2, участвует в регуляции экспрессии генов, связанных с вирулентностью [ Sperandio et al. 1999 ; Sircili et al.2004 ; Zhu et al. 2002 ; Miller et al. 2002 ; Lyon et al 2001 ]. Подобные QS- системы участвуют в контроле споруляции Bacillus subtilis , в регуляции компетентности S. pneumoniae ( табл. 2 ) [ Waters and Bassler, 2005 ]. QS-системы этого типа являются глобальными регуляторами экспрессии бактериальных генов. Так, показано, что AI-2 участвует в регуляции транскрипции 242 генов E. coli , составляющих 5,6% генома этой бактерии [ DeLisa et al. 2001 ].
Рассмотренные QS-системы и участвующие в их функционировании аутоиндукторы не исчерпывают всех известных к настоящему времени и число вновь открываемых неуклонно растет.
