Типы систем quorum sensing

Широкое разнообразие сигнальных молекул накладывает свой отпечаток на организацию и функционирование системы QS. С точки зрения структурно-функциональной организации на сегодня выделяют два основных типа систем QS – систему аутоиндукции и систему сигнальной трансдукции [Chhabra S. R. Autoregulation of carbapenem biosynthesis in Erwinia carotovora by analogs of N-(3-oxohexanoyl)-L-homoserine lactone. / Chhabra, S. R., P. Stead, N. J. Bainton, et al. // J. Antibiot. – 1993. – V. 46 – P. 441-454., Fujii Toshio. Two Homologous Agr-Like Quorum-Sensing Systems Cooperatively Control Adherence, Cell Morphology, and Cell Viability Properties in Lactobacillus plantarum WCFS1. / Toshio Fujii, Colin Ingham, Jiro Nakayama, et al. // Journal of bacteriology. – 2008. – V. 190. – № 23. – P. 7655-7665.].

Система аутоиндукции является основным типом системы QS у грамотрицательных бактерий. В качестве сигнальных молекул в ней используются АГЛ. Система аутоиндукции (рис. 20) состоит из двух типов

Рис. 20. Схема функционирования системы аутоиндукции.

белков – I и R. I-белок представляет собой АГЛ-синтетазу (ацетилфосфат трансферазу), который отвечает за синтез сигнальных молекул. R-белок является рецептором для АГЛ. Эти белки относятся к Lux-семейству названному так в связи с их первичным обнаружением в качестве регуляторов биолюминесценции у V. fisheri [Xavier K.B., Bassler B.L. LuxS quorum sensing: more than just a numbers game. / Xavier K.B., Bassler B.L. // Curr.Opin. Microbiol. – 2003. – V. 6. – P. 191-197.]. Система аутоиндукции функционирует следующим образом. Синтезированные с помощью I-белка сигнальные молекулы выводятся из клеток путём диффузии и накапливаются во внешней среде. По достижению определённой пороговой концентрации молекулы АГЛ поступают обратно в клетки (так же с помощью диффузии) и связываются с R-белками. R-белки относятся к классу внутриклеточных рецепторов, которые, связываясь со своими лигандами (АГЛ) приобретают функциональную активность. Связывание АГЛ с рецепторами приводит к образованию АГЛ-R комплексов, которые мултимеризуються за счёт дополнительного взаимодействия между ацильными хвостами сигнальных молекул. Образующиеся мультимерные комплексы n(АГЛ-R) обладают полимеразной активность и обуславливают экспрессию генов-мишеней. Среди генов-мишеней комплексы n(АГЛ-R) индуцируют экспрессию генов кодирующих І и R, поддерживая накопление новых АГЛ и рецепторов к ним, то есть аутоиндуцируют работу системы QS [Winzer K. Quorum sensing and the regulation of virulence gene expression in pathogenic bacteria. / Winzer, K., P. Williams. // Int. J. Med. Microbiol. – 2001. – V. 291. – P. 131-143. ]. Примером системы основанной на принципе аутоиндукции является система QS у P. aeruginosa.

У P. aeruginosa роль сигнальных молекул выполняют два АГЛ – 3-оксо-додеканоил гомосерин лактон и N-бутирил-гомосерин лактон, а так же упоминавшийся выше PQS. Гены системы QS у этого микроорганизма представлены тремя группами – las, rhl, и pqs [Hiroaki Sugay. Smithy Molecular mechanisms of bacterial quorum sensing as a new drug target. / Hiroaki Sugay, Kristina M Smithy. // Current Opinion in Chemical Biology. – 2003. – V. 7. – P. 586-591., Winson Michael K. Multiple N-acyl-L-homoserine lactone signal molecules regulate production of virulence determinants and secondary metabolites in Pseudomonas aeruginosa (autoinducers/quorum sensing/gene regulation) / Michael K. Winson, Miguel Camara, Amel Layifi, et al. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. – 1995. – V. 92. – P. 9427-9431.]. Каждая из этих групп генов обеспечивает синтез и ответ на свою сигнальную молекулу.

В инактивированном состоянии система QS у P. aeruginosa находится под негативным контролем трёх белков репрессоров - RsmA, RpoS и QscR, которые предупреждают раннюю активацию [Chugani S. A. QscR, a modulator of quorum-sensing signal synthesis and virulence in Pseudomonas aeruginosa. / Chugani S. A., M. Whiteley K. M. Lee, et al. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. – 2001. – V. 98. – P. 2752-2757., Pessi G. The global posttranscriptional regulator RsmA modulates production of virulence determinants and N-acylhomoserine lactones in Pseudomonas aeruginosa. / Pessi G., F. Williams, Z. Hindle, et al. // Journal of bacteriology. – 2001. – V. 183. – P. 6676–6683., Whiteley M. Regulation of quorum sensing by RpoS in Pseudomonas aeruginosa. / Whiteley M, Parsek M. R., Greenberg E. P. // Journal of bacteriology. – 2000. – V. 182. – P. 4356-4360.]. На ранних этапах активации системы в клетках накапливается гуанизин-3’,5’-бисфосфат (ppGpp) который синтезируется с помощью белка RelA [van Delden C., R. Comte, A. M. Bally. 2001. Stringent response activates quorum sensing and modulates cell density-dependent gene expression in Pseudomonas aeruginosa. / van Delden, C., R. Comte, and A. M. Bally. // Journal of Bacteriology. – 2001. – V. 183. – P. 5376–5384.]. Накопление этого продукта приводит с одной стороны к инактивации белков репрессоров, а с другой к активации ранних регуляторных генов, таких как mva T. Продукт этого гена, в свою очередь, активирует синтез белка Vfr [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.]. Vfr является непосредственным активатором системы QS у P. aeruginosa. Работа системы начинается с активации las -звена (рис. 20). Vfr индуцирует гены las I (3-оксо-додеканоил-гомосерин лактон) и las R (рецептор). Это сопровождается повышением

Рис. 21 Система QS у P. aeruginosa.

концентрации 3-оксо-С₁₂-АГЛ, и по достижении определённого порогового уровня он начинает связываться со своим рецептором. Получившийся комплекс активирует гены las -, а также rhl - и pqs -. Активация rhl - и pqs - приводит к появлению N-C₄-АГЛ и PQS, а так же рецепторов к ним. Далее система переходит в самоподдерживающееся состояние и начинается экспрессия генов-мишеней. las - звено системы QS P. aeruginosa контролирует биосинтез эластазы (ген las B), Las-протеазы (ген las А), токсина А (ген tox A), лектинов (lec A, lec B), сидерофоров и др. rhl -звено контролирует синтез рамнолипидов (rhl ABC), НСN, пиоцианина (phn A, phn B) и др. pqs -звено выполняет функцию переключателя между предыдущими двумя звеньями, а так же выполняет функцию дополнительного контроля биосинтеза выше описанных продуктов [McKnight, S. L. The Pseudomonas quinolone signal regulates rhl quorum sensing in Pseudomonas aeruginosa. / McKnight, S. L., B. H. Iglewski, E. C. Pesci. // Journal of Bacteriology. – 2000. – V. 182. – P. 2702–2708.].

Таким образом, система QS у P. aeruginosa основана на использование нескольких последовательно появляющихся сигнальных молекул. Последние данные указывают на то, что роль сигнальной молекулы так же выполняет пиоцианин [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]. Так, исследования показали, что пиоцианин способен активировать фактор транскрипции SoxR и тем самым осуществлять положительную регуляцию mex GHI- opm D (efflux) и моноксигеназы с неизвестной функцией (ген PA2274) [Price-Whelan, A., Dietrich, L.E., and Newman, D.K. (2006) Rethinking ‘secondary’ metabolism: physiological roles for phenazine antibiotics. Nat Chem Biol 2: 71–78.]. Поскольку, по сегодняшним представлениям пиоцианин не вызывает появление сигнальных молекул более низкого порядка, а лишь вызывает опосредованную экспрессию некоторых генов, это вещество можно считать терминальным сигналом системы QS у P. aeruginosa [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].

Система сигнальной трансдукции, характерная для грамположительных микроорганизмов характеризуется более сложной структурной организацией, чем система аутоиндукции (рис. 22). В качестве сигнальных молекул в данной системе используются пептиды. Работа системы сигнальной трансдукции кардинально отличается от предыдущей.

Рис. 22. Принципы функционирования системы сигнальной трансдукции.

Как указывалось выше, биосинтез сигнальных пептидов происходит с общей матрицы в виде полипептида. Процессинг молекулы полипептида у большинства микроорганизмов осуществляется в момент выхода этих молекул из клетки. В отличие от АГЛ грамотрицательных бактерий, этот полипептид из-за своих размеров не способен к диффузии и его выведение из клетки осуществляется с помощью механизмов активного транспорта. Транспорт синтезированного полипептида осуществляется с помощью сложного АТФ-зависимого кассетного транспортёра. Этот транспортёр содержит как минимум три функциональных домена: домен А представляет собой канал, через который проходит молекула полипептида; домен В – АТФ-аза, обеспечивающая функционирование транспортёра и домен С – пептидазный домен, который осуществляет процессинг полипептидной цепи. Таким образом, в межклеточном пространстве накапливаются молекулы сигнальных пептидов. При достижении пороговой концентрации сигнальные пептиды, в отличие от АГЛ, не поступают внутрь клеток микроорганизмов, а связываются со специфическими рецепторами на поверхности клеток микроорганизмов. Эти рецепторы через трансмембранный домен ассоциированы с сенсорными киназами (обычно гистидин киназой). Связывание сигнального пептида с рецептором приводит к активации сенсорной киназы, которая фосфорилирует белок-регулятор. Активированный белок-регулятор приобретает полимеразную активность и активирует экспрессию генов-мишеней [Hoa Ngo T. The Bacillus subtilis Signaling Protein SpoIVB Defines a New Family of Serine Peptidases. / Ngo T. Hoa, James A. Brannigan, Simon M. Cutting // Journal of Bacteriology. – 2002. – V. 184. – № 1. – P. 191-199., Syvitski Raymond T. Structure-Activity Analysis of Quorum-Sensing Signaling Peptides from Streptococcus mutans. /Raymond T. Syvitski, Xiao-Lin Tian, Kamal Sampara, et al. // Journal of Bacteriology. – 2007. – V. 189. – № 4. – P. 1441-1450.]. Примером системы, основанной на принципе сигнальной трансдукции, является система QSубактерий рода Staphylococcus.

Компоненты системы QS у бактерий рода Staphylococcus кодируются agr локусом [Quorum Sensing in Staphylococci Richard P. Novick and Edward Geisinger]. Экспрессия данного локуса находится под контролем двух различных промоторов, P2 и P3. Под контролем промотора Р2 находится 4-х генный оперон, который составляет основу системы QS: agr A-D. Продукты этих генов распределяются следующим образом:

1. agr A – ген, который кодирует регулятор ответа

2. agr B – ген, который кодирует компоненты АТФ-зависимого кассетного транспортёра\экзопептидазы

3. agr C – ген, который кодирует гистидин киназу

4. agr D – ген, кодирующий предшественник сигнальных пептидов

Предшественник сигнальных пептидов поддаётся процессингу как с N- так и С- конца с образованием тиолактона между центральным цистеином и С-концом сигнального пептида [Mayville P, Ji G, Beavis R, Yang H, Goger M, et al. 1999. Structure-activity analysis of synthetic autoinducing thiolactone peptides from Staphylococcus aureus responsible for virulence. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 96:1218–23]. AgrB представляет собой трансмембранную экзопептидазу и играет ключевую роль в образовании сигнальных пептидов [Qiu R, Pei W, Zhang L, Lin J, Ji G. 2005. Identification of the putative staphylococcal AgrB catalytic residues involving the proteolytic cleavage of AgrD to generate autoinducing peptide. J. Biol. Chem. 280:16695–704]. AgrD связывается с мембраной за счёт своего N-конца, тогда как взаимодействие с AgrB осуществляется с помощью С-конца молекулы-предшественника [Zhang L, Ji G. 2004. Identification of a staphylococcal AgrB segment(s) responsible for group-specific processing of AgrD by gene swapping. J. Bacteriol. 186:6706–13]. При этом происходит разрыв молекулы с С-конца при участии видоизмененных остатков гистидина и цистеина, которые впоследствии катализируют образование тиолактонного кольца [Qiu R, Pei W, Zhang L, Lin J, Ji G. 2005. Identification of the putative staphylococcal AgrB catalytic residues involving the proteolytic cleavage of AgrD to generate autoinducing peptide. J. Biol. Chem. 280:16695–704]. Процессинг N-терминального конца осуществляется с помощью сигнальной протеазы SpsB [Kavanaugh JS, ThoendelM,Horswill AR. 2007. A role for type I signal peptidase in Staphylococcus aureus quorum sensing. Mol. Microbiol. 65:780–98].

AgrC является характерным представителем класса 10 рецепторных гистидин киназ[Grebe TW, Stock JB. 1999. The histidine protein kinase superfamily. Adv. Microb. Physiol. 41:139–227]. Белок содержит два домена: N-концевой трансмембранный сенсорный домен, и С-концевой цитоплазматический киназный домен. При этом С-концивой домен является крайне консервативным, тогда как N-концевой домен, который содержит детерминанты специфичности – очень вариабельным [Lina G, Jarraud S, Ji G, Greenland T, Pedraza A, et al. 1998. Transmembrane topology and histidine protein kinase activity of AgrC, the agr signal receptor in Staphylococcus aureus.Mol.Microbiol. 28:655–62, Wright JS III, Lyon GJ, George EA, Muir TW, Novick RP. 2004. Hydrophobic interactions drive ligand-receptor recognition for activation and inhibition of staphylococcal quorum sensing. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 101:16168–73]. Однако исследования многочисленных agr -мутантов показало, что за нормальное функционирование рецепторного домена отвечает лишь не большое число аминокислотных остатков. Эти аминокислотные остатки, особенно находящиеся в позиции 100-116, по-видимому, и обуславливают связывание специфических лигандов [Quorum Sensing in Staphylococci Richard P. Novick and Edward Geisinger].

Цитоплазматический киназный домен AgrC является димером, в котором мономеры соедененны промежуточной областью из 6 аминокислотных остатков. Домен подвергается транс-аутофосфориллированию в процессе переноса фосфата на белок-эффектор и, таким образом, не отличается от большинства бактериальных гистидин-протеинкиназ [Cai SJ, Inouye M. 2003. Spontaneous subunit exchange and biochemical evidence for trans-autophosphorylation in a dimer of Escherichia coli histidine kinase (EnvZ). J. Mol. Biol. 329:495–503]. Как указывалось выше, для киназного домена характерна высокая консервативность. Практически любые мутации как в структуре киназного домена, так и в структуре белка- эффектора ведут к стойкому снижению эффективности переноса фосфата, в связи с нарушением комплиментарности [Quorum Sensing in Staphylococci Richard P. Novick and Edward Geisinger].

Белок-эффектор AgrA является ярким примером бактериального регулятора ответа. Этот белок обладает способностью к высокоаффинному связыванию с agr -промотором [Koenig RL, Ray JL, Maleki SJ, Smeltzer MS, Hurlburt BK. 2004. Staphylococcus aureus AgrA binding to the RNAIII-agr regulatory region. J. Bacteriol. 186:7549–55]. Добавление высокоэнергетического донора фосфатов улучшает подобное связывание. Это свидетельствует о том, что AgrA является функционально активным лишь в фосфориллированной форме. При этом, AgrA приемушественно связывается с P2 промотором, образуя более сильную и стабильную связь, чем с Р3 [Koenig RL, Ray JL, Maleki SJ, Smeltzer MS, Hurlburt BK. 2004. Staphylococcus aureus AgrA binding to the RNAIII-agr regulatory region. J. Bacteriol. 186:7549–55]. Исходя из этого, можно предположить, что активация Р2 предшествует активации Р3 промотора [Cheung AL, Bayer AS, Zhang G, Gresham H, Xiong YQ. 2004. Regulation of virulence determinants in vitro and in vivo in Staphylococcus aureus. FEMS Immunol. Med. Microbiol. 40:1–9]. Сайтом узнавания и связывания для активированного AgrA являются гептануклиотидные повторы в последовательности промоторов. Подобное характерно и для белков-эффекторов других грамположительных бактерий [DiepDB,MyhreR, JohnsborgO, Aakra A,Nes IF. 2003. Inducible bacteriocin production in Lactobacillus is regulated by differential expression of the pln operons and by two antagonizing response regulators, the activity of which is enhanced upon phosphorylation. Mol. Microbiol. 47:483–94, Risoen PA, Brurberg MB, Eijsink VG, Nes IF. 2000. Functional analysis of promoters involved in quorum sensing-based regulation of bacteriocin production in Lactobacillus. Mol. Microbiol. 37:619–28]. У S. aureus AgrA часто взаимодействует с другим регуляторным белком – SarA, который так же связывается с Р2 промотором. Такое взаимодействие, по-видимому, приводит к совершенствованию экспрессии как Р2 так и Р3 промоторов [Morfeldt E, Tegmark K, Arvidson S. 1996. Transcriptional control of the agr-dependent virulence gene regulator, RNAIII, in Staphylococcus aureus. Mol. Microbiol. 21:1227–37, Rechtin TM, Gillaspy AF, Schumacher MA, Brennan RG, Smeltzer MS, Hurlburt BK. 1999. Characterization of the SarA virulence gene regulator of Staphylococcus aureus. Mol. Microbiol. 33:307–16].

Кроме AgrA, роль эффектора agr системы QS у бактерий рода Staphylococcus выполняет короткая РНК состоящая из 514 нуклеотидов – РНК ІІІ [Novick RP, Ross HF, Projan SJ, Kornblum J, Kreiswirth B, Moghazeh S. 1993. Synthesis of staphylococcal virulence factors is controlled by a regulatory RNA molecule. EMBO J. 12:3967–75]. Она представляет собой регуляторную РНК со сложной вторичной структурой (рис. 23), и временем жизни более 45 минут [Benito Y, Kolb FA, Romby P, Lina G, Etienne J, Vandenesch F. 2000. Probing the structure of RNAIII, the Staphylococcus aureus agr regulatoryRNA, and identification of theRNAdomain involved in repression of protein A expression. RNA 6:668–79]. Она кодирует амфифильный пептид, состоящий

Рис. 23. Вторичная структура РНК ІІІ [Quorum Sensing in Staphylococci Richard P. Novick and Edward Geisinger].

из 26 аминокислот, который является δ-гемолизином и не выполняет регуляторных функций, однако является важным фактором клеточной коаггрегации и созревания биоплёнки [Janzon L, Arvidson S. 1990. The role of the delta-lysin gene (hld) in the regulation of virulence genes by the accessory gene regulator (agr)in Staphylococcus aureus. EMBO J. 9:1391–99, Quorum Sensing in Staphylococci Richard P. Novick and Edward Geisinger]. Интересным является то, что среди бактерий рода Staphylococcus наблюдаются некоторые вариации в последовательности нуклеотидов в РНК ІІІ, однако сохраняется неизменность в организации вторичной структуры, результатом чего является кросс-реактивность между видами [Tegmark K,Morfeldt E, Arvidson S. 1998. Regulation of agr-dependent virulence genes in Staphylococcus aureus by RNAIII from coagulase-negative staphylococci. J. Bacteriol. 180:3181–86]. Функции РНК ІІІ достаточно разнообразны. 3’-конец молекулы является репрессором биосинтеза гена белка А (sap) [Benito Y, Kolb FA, Romby P, Lina G, Etienne J, Vandenesch F. 2000. Probing the structure of RNAIII, the Staphylococcus aureus agr regulatoryRNA, and identification of theRNAdomain involved in repression of protein A expression. RNA 6:668–79]. Не перекрытые субрегионы на 5’ и 3’ концах РНК III способны регулировать транскрипцию генов α-гемолизина (hla) [Novick RP, Ross HF, Projan SJ, Kornblum J, Kreiswirth B, Moghazeh S. 1993. Synthesis of staphylococcal virulence factors is controlled by a regulatory RNA molecule. EMBO J. 12:3967–75]. Таким образом, первичная и единственная функция РНК III в качестве регуляторной молекулы, это регуляция трансляции индивидуальных экзобелков и плеотропных регуляторов. Так, позитивная регуляция биосинтеза α-гемолизина этой молекулой осуществляется путём противодействия блокированию считывания hla мРНК, но при этом сама является ингибитором трансляции белка А и фибрин-связывающего белка, который кодируется геном SA1000, путём перекрывания регионов инициации трансляции в мРНК обоих белков [Morfeldt E, Taylor D, von Gabain A, Arvidson S. 1995. Activation of alpha-toxin translation in Staphylococcus aureus by the trans-encoded antisense RNA, RNAIII. EMBO J. 14:4569–77, Novick RP, Ross HF, Projan SJ, Kornblum J, Kreiswirth B, Moghazeh S. 1993. Synthesis of staphylococcal virulence factors is controlled by a regulatory RNA molecule. EMBO J. 12:3967–75]. Так же показано, что РНК III с помощью того же механизма способна ингибировать трансляцию Rot-регулятора [Geisinger E, Adhikari R, Jin R, Ross H, Novick R. 2006. Inhibition of rot translation by RNAIII, a key feature of agr function. Mol. Microbiol. 61:1038–48]. Между РНК III и rot мРНК возникают как минимум два контакта по принципу «петля-петля», причём, в месте одного из них происходит интеграция петли РНК III в последовательность rot мРНК, что приводит к блокированию связывания rot мРНК с рибосомой [Boisset S, Geissmann T, Huntzinger E, Fechter P, Bendridi N, et al. 2007. Staphylococcus aureus RNAIII coordinately represses the synthesis of virulence factors and the transcription regulator Rot by an antisense mechanism. Genes Dev. 21:1353–66]. Последнее событие (ингибирование биосинтеза Rot-регулятора) приводит к выключению agr системы QS, но так как agr и rot перекрываются лишь частично, по-видимому, должен существовать ещё один, не описанный пока белок-регулятор, который в случае ингибирования синтеза Rot способен осуществлять негативную регуляцию генов agr [Said-Salim B, Dunman PM, McAleese FM, Macapagal D, Murphy E, et al. 2003. Global regulation of Staphylococcus aureus genes by Rot. J. Bacteriol. 185:610–19].

Так же как и в случае системы QS у P. aeruginosa, под контролем agr у бактерий рода Staphylococcus находится достаточно значительное количество продуктов и признаков. Сюда входит синтез факторов патогенности, вторичных метаболитов, различных поверхностных и экзобелков, образование биоплёнки и многое другое. В дополнении к agr системе QS, у бактерий рода Staphylococcus, как и у многих других грамположительных бактерий существует система, основанная на использовании АИ-2, которая будет описана ниже.

Системы аутоиндукции и сигнальной трансдукции являются базовыми системами коммуникации у бактерий. Однако значительная разница в строении и принципах функционирования этих двух систем не позволяет использовать их для межгрупповой коммуникации. Межгрупповая коммуникация у бактерий осуществляется за счёт наличия дополнительной, построенной на использовании АИ-2 системе QS.

Как было описано выше, под понятием АИ-2 сего подразумевают два родственных соединения, различные по своей химической структуре [Sun Jibin Sun. Is autoinducer-2 a universal signal for interspecies communication: a comparative genomic and phylogenetic analysis of the synthesis and signal transduction pathways. / Jibin Sun, Rolf Daniel, Irene Wagner-Döbler, An-Ping Zeng. // BMC Evolutionary Biology. – 2004. – V. 4. – P. 1-11.]. Эти различия накладывают свой отпечаток на принципе функционирования системы QS, основанной на использовании АИ-2. Сегодня выделяют три типа структурно-функциональной организации таких систем, которые сочетают в себе черты как системы аутиоиндукции, так и системы сигнальной трансдукции:

1. АИ-2-QS система бактерий семейства Enterobacteriaceae – в качестве сигнальной молекулы используется 2,2,6,6а-тетрагидрокси-3а-фуранон.

2. АИ-2-QS система бактерий семейства Vibrionaceae – в качестве сигнальной молекулы используется фуранозил борат диэстер.

3. «Двухкаскадная» система QS у V. harveyi – для регуляции экспрессии генов одновременно используются фуранозил борат диэстер и гомосерин лактоны.

Примером системы первого типа является система QS у бактерий рода Salmonella (рис. 24). Она представлена генами семейства lrs. В это семейство входят гены, которые кодируют сложный трансмембранный АВС транспортёр (lrsА, lrsВ, lrsС), ген lrsК, кодирующий киназу, lrsR, который кодирует белок-регулятор ответа и lrsI, ответственный за биосинтез АИ-2 [Taga M. E. The LuxS-dependent autoinducer AI-2 controls the expression of an ABC transporter that functions in AI-2 uptake in Salmonella typhimurium. / Taga M. E., Semmelhack J. L., Bassler B. L. // Mol Microbiol. – 2001. – V. 42. – P. 777-793.]. Синтезированные молекулы АИ-2 свободно диффундируют через цитоплазматическую мембрану и клеточную стенку бактерий и по достижении определённой концентрации связываются с LrsВ, который является рецепторным доменом АВС транспортёра. Это связывание приводит к тому, что LrsА изменяет свою конформацию, заставляя LsrC

Рис. 24. Системы QS основанные на использовании аутоиндуктора-2.

открыть трансмембранный канал. По этому каналу молекулы аутоиндуктора 2 попадают внутрь клетки бактерий и связываются с киназой LsrK, которая фосфориллирует сигнальные молекулы. Данное событие необходимо для их активации. Активированные таким образом АИ-2 связываются с LsrR, который приобретает полимеразную активность и активирует экспрессию генов мишеней [Taga M. E. The LuxS-dependent autoinducer AI-2 controls the expression of an ABC transporter that functions in AI-2 uptake in Salmonella typhimurium. / Taga M. E., Semmelhack J. L., Bassler B. L. // Mol Microbiol. – 2001. – V. 42. – P. 777-793.].

У бактерий рода Vibrio АИ-2-QS система функционирует иначе (рис. 24). У этих бактерий гены системы QS составляют семейство lux [Xavier K.B., Bassler B.L. LuxS quorum sensing: more than just a numbers game. / Xavier K.B., Bassler B.L. // Curr.Opin. Microbiol. – 2003. – V. 6. – P. 191-197.]. Синтезированный с помощью LuxS АИ-2 диффундирует из клеток микроорганизмов. При достижении клетками определённой численности, АИ-2 связывается со специфическим рецептором на поверхности клетки, который ассоциирован с киназой\фосфотазой LuxQ. В отсутствии АИ-2 LuxQ проявляет киназную активность и фосфориллирует белки LuxU и LuxО, которые в фосфориллированном состоянии являются ингибиторами экспрессии LuxR-полимеразы. Связывание АИ-2 на поверхности клеток приводит к тому, что LuxQ изменяет свою конформацию. Это приводит к изменению активности этого фермента с киназной на фосфотазную и дефосфориллированию LuxU и LuxО, которые при этом теряют свои репрессорные свойства и индуцируют биосинтез LuxR. Накопление последнего и обуславливает активацию генов мешеной.

«Двухкаскадная» система QS у V. harveyi (рис. 25) устроена более сложно [Bassler B. L. Multiple signalling systems controlling expression of luminescence in Vibrio harveyi: sequence and function of genes encoding a second sensory pathway. / Bassler B. L., Wright M., Silverman M. R. // Mol Microbiol. – 1994. – V. 13. – P. 273-286]. Эта система в своей структуре объединяет систему аутоиндукции грамотрицательных бактерий и второй тип организации АИ-2-QS системы. В клетках V. harveyi одновременно

Рис. 25. Система QS у V. harveyi.

синтезируются АИ-2 в виде фуранозил борат диэстера и гомосерин лактоны. АИ-2, как было описано выше, индуцирует биосинтез LuxR, которая у этого микроорганизма в отличие от других членов семейства не проявляет полимеразных свойств. Полимеразные свойства этот белок приобретает только после связывания с гомосерин лактонами, которые свободно диффундируют из окружающей среды в клетки V. harveyi.