Кіріспе
Химиялық қосылыстар класы. N-ацил гомосерин лактондары (қысқартылып AHL немесе N-AHL деп жазылады) – бактериялық кворумды сезуге қатысатын сигналдық молекулалар класы, бактериялар арасындағы хабарласу құралы, бұл оларға популяция тығыздығына байланысты мінез-құлықты іске асыруға мүмкіндік береді. Алғашқы AHL (N-3-(оксогексаноил)гомосерин лактоны) Vibrio fischeri бактериясында биолюминесценцияның табиғи индукторы ретінде табылды. AHL арқылы кворумды сезу белгілі бір гендердің транскрипциясын реттеуге және осылайша белгілі бір фенотиптердің экспрессиясын реттеуге, соның ішінде өсу, вируленттілік, биофильмдердің қалыптасуы, биолюминесценция, экзополисахаридтер (ЭПС) өндірісіне ықпал етеді. 50-ден астам грам-теріс бактерия түрлері (оның ішінде бірнеше патогенді түрлер) AHL-ді автоиндуктор ретінде және кворумды сезудегі байланыс құралы ретінде пайдаланады. Бір зерттеуде AHL эукариоттық жасушалармен өзара әрекеттесіп, иммундық жауапты әлсірететіні және инфекцияға көмектесетіні көрсетілді. AHL – автоиндуктор (AI) молекулаларының негізгі топтарының бірі, олар негізінен грам-теріс протеобактерияларда, сондай-ақ кейбір бактериодеттерде, цианобактерияларда және археяларда кездеседі. Қалған екі негізгі топ – грам-оң бактериялардағы олигопептидтер AI; және түрлер аралық байланыс үшін әмбебап сигнал ретінде автоиндуктор 2 (AI 2).
N Acyl homoserine lactones (Abbreviated as AHLs or N AHLs) are a class of signaling molecules involved in bacterial quorum sensing, a means of communication between bacteria enabling behaviors based on population density. The first AHL (N 3 (oxo hexanoyl) homoserine lactone) was found as the natural inducer of bioluminescence in the bacterium Vibrio fischeri. Quorum sensing by the means of AHLs contributes to regulate the transcription of specific genes and therefore expression of specific phenotypes, including growth, virulence, biofilm formation, bioluminescence, production of exopolysaccharide (EPS). Over 50 gram negative bacteria species (including several pathogenic species) use AHLs as autoinducers and the means of their communication in quorum sensing. In one study, AHL was shown to interact with eukaryotic cells, and mitigate an immune response and facilitates infection. AHLs are one of the major groups of the autoinducer (AI) molecules which are found primarily in gram negative proteobacteria but also in some bacteriodetes, cyanobacteria, and archaea. The other two major groups are oligopeptides AIs in gram positive bacteria; and autoinducer 2 (AI 2), as a universal signal for interspecies communications.
Құрылу
Ол ацил тасымалдаушы ақуыздардың S-аденозилметионинмен реакциясынан туындайды. Соңғысы 4-аминобутиролактонның эквивалентын донор ретінде тартады. Метилтиоаденозин – серіктес өнім. Гомосерин лактоны сонымен қатар цианоген бромидінің (CNBr) метионин қалдығымен протеолиттік реакциясының нәтижесі болып табылады. Бұл реакция ақуыздардың химиялық тізбектелуі үшін маңызды.
Құрылымы
АХЛ-дың гидрофобтық және гидрофильді бөліктері бар. Гидрофильді бөлім гомосерин лактоны сақинасынан және амид тобынан тұрады. Гидрофобтық бөлімде 3-оксо тобы бар, штаммға тән, ұзындығы мен оттегі деңгейі әртүрлі болатын көмірсутекті тізбегі болады. Ацил тізбегінің ұзындығы әдетте 4-ден 18 көміртекке дейін. R тобының бүйір тізбегінің ұзындығы өзгеріп отырады. Тізбек ұзындығы 4-тен 18 көміртек атомына дейін және үшінші көміртекте карбонил тобының алмасуымен өзгереді. Гидрофильді бөлімдер рецептормен байланысу орнында сутекті байланыс желісін құрайды, ал гидрофобтық бөлімдер гидрофобтық қалтаның диффузиялық және байланысу қасиеттеріне үлес қосады. Зерттеулер әзірге АХЛ синтеза ферменттері мен АХЛ түрі арасындағы корреляцияны көрсеткен жоқ. LuxI ақуызы аксилендірілген гомосерин лактоны молекуласын синтездейді. LuxI гені жоғары деңгейде сақталған, бұл бактериялар өндіретін АХЛ типті сигналдардың саны шектеулі екенін көрсетеді. Дегенмен, АХЛ синтеза ферменттері отбасында синтетаза тани алатын субстрат түрін және одан кейінгі ацил тізбегінің ұзындығын анықтайтын C-терминалдық аймақ сақталмайды. Сонымен қатар, қазіргі уақытта АХЛ синтеза ферменттерінің таралуы мен түрлер арасындағы байланысқа дәлел жоқ. LuxI гендеріне қарағанда, АХЛ-дың рецепторлары, LuxR ақуызы және олардың гендері түрлер арасында кеңінен өзгеріп отырады.
Механизм
Бактериялық кворумдық сигнализация қоршаған ортаға бөлінген N-ацил гомосерин лактондарымен (AHL) басталады. Кворумды сезу процесінде LuxI ақуызы алдымен ацилденген гомосерин лактоны молекуласын синтездейді, ол диффузия арқылы градиент бойымен жасуша мембранасынан өтіп, қоршаған ортаға таралады. Қоршаған ортадағы осы автоиндукторлардың концентрациясы жасуша ішіндегіден төмен болғанда, олар градиент бойынша жасушадан шығып, цитоплазмадағы LuxR рецепторына байланыспайды. Бактериялар саны белгілі бір шекке жеткенде, қоршаған ортадағы автоиндукторлардың концентрациясы жасуша ішіндегіден жоғары болса, олар градиент бойымен жасушаға еніп, рецепторға байланысады. Осылайша LuxR-AHL кешені қалыптасады. Бұл кешен 20 базалық жұптан (bp) тұратын ДНК бөлігіне – lux қорапшасына байланысады. Бұл аймақ реттелетін геннің ~40 бп жоғарысында орналасқан lux промотор аймағында немесе оған жақын орналасқан. LuxR промотормен байланысқандықтан, РНҚ полимераза осы промотор аймағына тартылып, ген экспрессиясы индукцияланады. Сонымен қатар, LuxR-AHL кешені LuxI ақуызының транскрипциясын күшейтеді, бұл AHL өндірісін арттырады (оң кері байланыс). Нысаналы гендердің транскрипциясы реттеледі және тұтас популяцияның гендік экспрессиясы үйлестіріледі. Бірнеше зерттеулер инфекция және антибиотиктерге төзімділікте тиімді AHL-дерді зерттеді. AHL арқылы жұмыс істейтін LuxR-LuxI жүйесі – көп дәріге төзімді бактериялар түрлерінде ең көп зерттелген QS жүйесі.
Кворумды азайту
Кворумды сезуден өзгеше, кворумды сөндіру бактериялардың байланысын болдырмайды және олардың гендік экспрессиясына әсер етеді. Кворумды сөндірудің нысаналары – сигнал молекулалары, сигнал молекулаларын биосинтездейтін механизмдер және осы сигнал молекулаларын қабылдайтын реттеуші ақуыздар. AHL-ды ыдырататын ферменттер арқылы AHL-дың ыдырауы және сигналдың жиналуын шектеу – негізгі механизм болып табылады. AHL сигналдары үш механизм арқылы ферменттердің көмегімен ыдырайды: лактон гидролизі, амидтік байланыс гидролизі және ацил тізбектерінің модификациясы. Лактон гидролизі AHL лактоназа гомосерин лактон сақиналарын гидролиздеген кезде жүзеге асады. Бұл процесс алғаш рет Bacillus тұқымдас бактерияларда байқалды. AHL ацилазалары амидтік байланыстардың гидролизі арқылы AHL-дың толық және қайтымсыз жойылуын катализдейді. Rhodococcus erythropolis бактериясында алғаш рет анықталған AHL оксидазасы және редуктазасы сигналдардың химиялық құрылымын өзгертеді, бұл AHL сигналын тануға әсер етеді және кворумды сезумен реттелетін процестерге кедергі келтіреді. Екінші AHLаза – Bacillus megaterium P450 монооксигеназасы, ол май қышқылдарын және N-майлы ацил амин қышқылдарын тотықтырады. Лактоназалар мен ацилазалар – кворумды сөндіру механизмдерінің алғашқы дамушылары. Лактоназалар автоиндукторлардағы лактон байланыстарын бұзады, олардың мақсатты транскрипциялық реттеушілерге байланысуына кедергі келтіреді, соның салдарынан ауруға қарсы тұру қабілетін арттырады.
АХЛ-ның өсімдіктерге әсері
Өсімдіктер әлемді қалыптастыруда маңызды рөл атқарады және олардың микроорганизмдермен байланысы ерекше маңызға ие. Өсімдіктер мен микробтардың ұзақ эволюциялық тарихында өсімдіктер симбиоздық немесе патогендік микробтарға лайықты гендік экспрессия профилімен жауап беруге бейімделді, мысалы, бактериялық сапрофиттермен ынтымақтастық арқылы эндофиттік тіршілікке немесе патогендерге қарсы қорғаныс реакцияларына ие болды. AHL-дер ризобиум мен бұршақ тұқымдас өсімдіктердің симбиозында маңызды рөл атқарады, нәтижесінде түйіндер пайда болады. Эксперименттер AHL-дің қолданылуы GH3 ауксин жауапты промоутерді белсендіргенін (ауксинге байланысты гендерді күшейтеді) және цитокининге байланысты гендерді төмендеткенін (ауксин мен цитокинин арақатынасының өзгеруі өсуді ынталандыра алады) көрсетті. Сондай-ақ, AHL қолданғаннан кейін тамырларда түйіндердің пайда болуы күшейді. Бұдан басқа, су мен минералдардың өсімдік арқылы ағыны артты, себебі жапырақ саңылаулары ашылды, демек, жалпы транспирация деңгейі өзгерді. AHL-мен шақырылған бактериялардың өсімдіктермен пайдалы өзара әрекеттесулерінен өзге, QS сигналдағы AHL қосылыстары үш тарапты симбиоздық бактерия-саңырауқұлақ-өсімдік өзара әрекеттесуінде маңызды коммуникациялық сигнал ретінде әрекет ететіні анықталды. AHL автоиндукциясымен және әртүрлі ұзын тізбекті AHL-дерді өндіретін эндофиттік бактериялар саңырауқұлақтың қоныстанған өсімдіктермен симбиоздық қарым-қатынасқа түсуіне көмектеседі. Өсімдіктердің тамыр аймағынан бөліп алынған Serendipita indica саңырауқұлағы стресске төзімділікпен және өсімдіктердің өсуін жақсартумен байланысты. Бұл саңырауқұлақтың ішінде AHL автоиндукциясының гендері бар Rhizobium radiobacter F4 эндосаңырауқұлақты бактериясын қамтиды екені көрсетілді. R. radiobacter F4-ті Arabidopsis немесе бидайға (Triticum aestivum) егу кезінде өсім мен өнімділіктің ұлғаюы, сондай-ақ қорғаныс реакцияларын күшейту және экологиялық бейімділікті арттыру байқалды. Қызығы, AHL қосылыстарының азаюымен тамырлардың қоныстануы, өсуді ынталандыру және қарсылық тудыратын белсенділіктер төмендеді. Бұл нәтижелер S. indica саңырауқұлағын әртүрлі өсімдіктердің өсуін қолдау үшін қолданғанда, эндосаңырауқұлақты AHL өндіретін R. radiobacter қоныстандырып, микроб-өсімдік өзара әрекеттесуін үйлестіруге қатысады дегенді көрсетеді.
АХЛ және азот циклі
Микробтар топырақ пен судағы азоттың тағдырын анықтайтын маңызды рольдегі қатысушылар болып табылады. АХЛ (AHL) арқылы кворумды сезу азот айналымында маңызды рөл атқарады. Барлық нитрификациялаушы бактериялар және кейбір денитрификациялаушы бактериялар АХЛ-ді сигнал молекулалары ретінде пайдаланады. АХЛ нитрификация және денитрификацияға қатысқан функциялардың тиімділігіне әсер етеді және оларды реттейді. Аммиакты тотықтыратын бактериялардың кейбір түрлері, мысалы, Nitrosomonas europaea, Nitrosospira multiformis, Nitrosospira briensis, C6-ден C14-ке дейінгі АХЛ-дерді пайдаланады. Нитритті тотықтыратын бактериялар (NOB), мысалы, Nitrobacter winogradskyi, Nitrobacter vulgaris және Nitrospira moscoviensis, сондай-ақ C8 немесе C10 АХЛ-дерін пайдаланады. Candidatus Jettenia caeni анаэробты аммоний тотығу (аннамокс) режимінде C6 және C8 АХЛ-дерін пайдаланады. Сонымен қатар, Pseudomonas aeruginosa және Paracoccus denitrificans денитрификациялаушы бактериялар ретінде тиісінше C4 HSL және C16 АХЛ-ді пайдаланады. Нитрификациялаушы және денитрификациялаушы бактериялардың кейбіреулерінде, мысалы, Nitrobacter hamburgensis, АХЛ табылмады, бірақ потенциалды АХЛ синтетазасы және рецептор ақуыздары анықталды.