Система quorum sensing

Система межклеточной коммуникации у микроорганизмов носит название системы quorum sensing (QS). Сегодня система QS определяется как система координированной экспрессии генов в популяции, зависящая от показателя её плотности, с использованием малых сигнальных молекул [Diggle S. P. Advancing the quorum in Pseudomonas aeruginosa: MvaT and the regulation of N-acylhomoserine lactone production and virulence gene expression. / Diggle, S. P., K. Winzer, A. Lazdunski, P. Williams, M. Camara. // Journal of Bacteriology. – 2002. – V. 184. – № 10. – P. 2576–2586., Parsek M. R. Acyl homoserine-Iactone quorum-sensing signal generation. / Parsek M.R., VaI D.L., Hanzelka B.L., et al // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. – 1999. –V. 96. – P. 4360-4365.]. Как уже отмечалось выше, этот механизм был впервые описан в 1970 году Нильсоном у морской бактерии Vibrio fisheri в качестве системы регуляции биолюминесценции [Nealson, K.H., Platt T., Hastings J.W. CeIlular control of the synthesis and activity of the bacterial luminescence system. / Nealson, K..H.,Platt, T., Hastings, J.W. // Journal of Bacteriology. – 1970. – V. 104. – P. 313-322.]. Изначально предполагалось, что данный механизм регуляции свойственен лишь небольшому числу близкородственных видов рода Vibrio, однако дальнейшие исследования показали широкую распространённость этого механизма регуляции в мире микроорганизмов. Было обнаружено, что с помощью системы QS микроорганизмы способны регулировать многие процессы жизнедеятельности, в частности патогенность, вторичный метаболизм, формирование биоплёнки и многое другое [Brown Sam P. Cooperation in the dark: signalling and collective action in quorum-sensing bacteria. / Sam P. Brown, Rufus A. Johnstone. //Proc. R. Soc. Lond. B. – 2001. – V. 268. – P. 961-965.]. Было показано, что система QS встречается не только у бактерий, но и у некоторых низших эукариот, таких как дрожжеподобные грибы родов Candida и Cryptococcus. Более того оказалось, что с помощью этой системы микроорганизмы способны взаимодействовать не только с себе подобными, но и осуществлять межцарственную коммуникацию, в том числе и с высшими эукариотами [Shiner Erin K. Interkingdom signaling: Deciphering the language of acyl-homoserine lactones / Erin K. Shiner, Kendra P. Rumbaugh, Simon C. Williams. // FEMS Microbiology Reviews. – 2005. – V. 29. – P. 935-947., Givskov M. Eukaryotic interference with homoserine lactone-mediated prokaryotic signalling. / Givskov M., de Nys R., Manefield M., et al. // Journal of Bacteriology. – 1996. – V.178. – P. 6618-6622.].

В общем случае функционирование системы QS базируется на ряде ключевых принципов (рис. 11):

1. Использование малых сигнальных молекул – в системе QS передача сигнала от одной клетке к другой осуществляется с помощью сигнальных молекул различной химической природы.

2. Наличие специфических рецепторов – сигнальные молекулы не влияют на экспрессию генов-мишеней на прямую. Активация генов-мишеней происходит лишь после связывания сигнальных молекул с соответствующими рецепторами.

3. Влияние плотности популяции клеток – запуск системы QS осуществляется лишь по достижении определённого значения плотности популяции клеток, коррелирующей с концентрацией сигнальных молекул во внешней среде.

4. Самоподдержание функционирования – контроль синтеза новых сигнальных молекул и рецепторов осуществляется так же, как и генов- мишеней в отсутствии активации систем репрессии.

5. Наличие механизмов избирательной негативной регуляции – в клетках микроорганизмов имеются как зависимые, так и не зависимые от QS гены негативной регуляции, продукты которых способны избирательно отключать целые звенья системы QS или всю систему в целом.

Рис. 11. Общая схема функционирования системы quorum sensing.

Данные принципы являются общими практически для всех типов систем QS не зависимо от их конкретной структурной организации. Запуск системы QS обычно совпадает по времени с ранней стадией экспоненциального роста, для которой является характерным быстрый рост плотности популяции клеток [The phenazine pyocyanin is a terminal signaling factor in the quorum sensing network of Pseudomonas aeruginosa Lars E. P. Dietrich, Alexa Price-Whelan, Ashley Petersen,4 Marvin Whiteley4 and Dianne K. Newman1,2,3* Molecular Microbiology (2006) 61(5), 1308–132]. Экспрессия генов-мишеней же напротив обычно начинается с выходом популяции клеток в стационарную фазу, и обычно является комплексной, то есть, предполагает начало биосинтеза практически всех регулируемых с помощью QS продуктов в короткий промежуток времени [Bassler B. L. How bacteria talk to each other: regulation of gene expression by quorum sensing. / Bassler B. L. // Cur Opin Microbiol. – 1999. – V. 2. – P. 582-587., Pesci E. C. The chain of command in Pseudomonas aeruginosa quorum sensing. / Pesci, E. C., B. H. Iglewski. // Trends Microbiol. – 1997. – Vol. 5. – P. 132-134.]. Таким образом, ранние этапы работы системы QS заключаются в обеспечении биосинтеза сигнальных молекул и рецепторов к ним, до определённого момента, совпадающего с накоплением максимальной концентрации сигнальных молекул в межклеточном пространстве, по достижению которой работа системы QS переходит в самоподдерживающееся состояние [Brown Sam P. Cooperation in the dark: signalling and collective action in quorum-sensing bacteria. / Sam P. Brown, Rufus A. Johnstone. //Proc. R. Soc. Lond. B. – 2001. – V. 268. – P. 961-965.].

Механизмы, лежащие в основе ранней активации системы QS, на сегодня окончательно не выяснены. Не смотря на то, что обнаружено большое количество различных регуляторов, которым приписывается определённая роль в ранней активации системы, многие вопросы остаются не решёнными [Pearson J. P. Early Activation of Quorum Sensing. / James P. Pearson. // Journal of Bacteriology. – 2002. – V. 184. – № 10. – P. 2569-2571.]. Прежде всего, не ясно, каким образом регулируется первичное накопление сигнальных молекул и рецепторов к ним. Существует гипотеза о том, что определённое количество сигнальных молекул и рецепторов к ним присутствует в клетках постоянно, и первичное их накопление происходит по тому же самоподдерживающемуся механизму, при этом на синтез сигнальных молекул и рецепторов расходуется часть внутриклеточного пула этих соединений. Остальная же часть выводится из клеток и по достижении пороговой концентрации реабсорбируется и запускает экспрессию генов-мишеней. Однако, исходя из особенностей функционирования некоторых типов системы QS, подобное видится маловероятным. James P. Pearson, напротив, считает, что первичный запуск QS осуществляется с помощью неспецифических регуляторов транскрипции таких как MvaT и Vfr (V irulence f actors r egulator) Pseudomonas aeruginosa, и система переходит в самоподдерживающееся состояние значительно позднее [Pearson J. P. Early Activation of Quorum Sensing. / James P. Pearson. // Journal of Bacteriology. – 2002. – V. 184. – № 10. – P. 2569-2571.].