Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Класс химических соединений
Class of chemical compounds
N-Ацилхомосеринлактоны (сокращенно AHL или N-AHL) — это класс сигнальных молекул, участвующих в бактериальном кворум-сенсинге, механизме коммуникации между бактериями, обеспечивающем поведение, зависящее от плотности популяции. Первый AHL (N-3-(оксогексаноил)гомосеринлактон) был обнаружен как естественный индуктор биолюминесценции у бактерии Vibrio fischeri. Кворум-сенсинг посредством AHL способствует регуляции транскрипции специфических генов и, следовательно, экспрессии специфических фенотипов, включая рост, вирулентность, образование биопленки, биолюминесценцию и продукцию экзополисахаридов (EPS). Более 50 видов грамотрицательных бактерий (включая несколько патогенных видов) используют AHL в качестве автоиндукторов и средства коммуникации при кворум-сенсинге. В одном исследовании было показано, что AHL взаимодействует с эукариотическими клетками, ослабляет иммунный ответ и способствует инфекции. AHL являются одной из основных групп молекул автоиндуктора (AI), которые в основном встречаются у грамотрицательных протеобактерий, но также и у некоторых бактериоидов, цианобактерий и архей. Другими двумя основными группами являются олигопептидные AI у грамположительных бактерий и автоиндуктор 2 (AI-2) – универсальный сигнал для межвидовой коммуникации.
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.
Формирование
Он возникает в результате реакции белков-носителей ацила с S-аденозилметионином. Последний служит донором эквивалента 4-аминобутиролактона. Метилтиоаденозин является побочным продуктом. Гомосеринлактон также образуется в результате протеолитической реакции бромида цианогена (CNBr) с остатком метионина. Эта реакция имеет важное значение для химического секвенирования белков.
It arises by the reaction of acyl carrier proteins react with S adenosylmethionine. The latter donates the equivalent of 4 aminobutyrolactone. Methylthioadenosine is a coproduct. Homoserine lactone is also a product of the proteolytic reaction of cyanogen bromide (CNBr) with a methionine residue. This reaction is important for chemical sequencing of proteins.
Структура
AHL содержат гидрофобные и гидрофильные участки. Гидрофильный участок состоит из гомосеринлактонового кольца и амидной группы. Гидрофобный участок представляет собой углеводородную цепь, специфичную для штамма, с различной длиной и степенью окисления, содержащую 3-оксогруппу. Длина ацильной цепи обычно варьируется от 4 до 18 атомов углерода. Длина R-группы переменная. Длина цепи изменяется от 4 до 18 атомов углерода, а также варьирует замещение карбонильной группы на третьем атоме углерода. Гидрофильные участки формируют сеть водородных связей в месте связывания рецептора, в то время как гидрофобные участки способствуют диффузии и свойствам связывания в гидрофобном кармане. Исследования пока не выявили корреляции между ферментами синтеза AHL и типом AHL. Белок LuxI синтезирует ацилированную молекулу гомосеринлактона. Ген LuxI высоко консервативен, что указывает на то, что, несмотря на разнообразие, бактерии производят ограниченное количество сигналов типа AHL. Однако в семействе ферментов AHL-синтаз C-концевая область, определяющая тип субстратов, которые может распознавать синтетаза, и, следовательно, длину ацильной цепи, не является консервативной. Более того, на данный момент нет данных, подтверждающих корреляцию между распределением AHL-синтаз и видами бактерий. В отличие от генов LuxI, рецепторы AHL – белки LuxR и их гены – сильно варьируются между видами.
AHLs have hydrophobic and hydrophilic sections. The hydrophilic section consists of the homoserine lactone ring and the amide group. The hydrophobic section has a strain specific hydrocarbon chain with varieties in length and level of oxygenation with a 3 oxo group. The length of the acyl chain generally ranges from 4 to 18 carbons. The length of R group side chain variable. Chain lengths vary from 4 to 18 carbon atoms and in the substitution of a carbonyl at the third carbon. The hydrophilic sections form a hydrogen bonded network within the receptor binding site, while the hydrophobic sites contribute to diffusional and binding properties within the hydrophobic pocket. Studies have not yet demonstrated a correlation between the AHL synthase enzymes and AHL type. LuxI protein synthesizes an acylated homoserin lactone molecule. The LuxI gene is highly conserved, which indicates that although diverse, there are a limited number of AHL type signals that are produced by bacteria. However, in the AHL synthase enzyme family, the C terminal region, which determines the type of substrates the synthetase can recognize and the subsequent acyl chain length, is not conserved. Moreover, there is no evidence as of now that the distribution of AHL synthase and the species are correlated. Contrary to LuxI genes, the receptors of AHLs, LuxR protein and their genes, are highly variable among species.
Механизм
Сигнализация кворума бактерий начинается с выделения N-ацилированных гомосеринлактонов (AHL) в окружающую среду. В процессе кворум-сенсинга, сначала белок LuxI синтезирует молекулу ацилированного гомосеринлактона, которая может проникать через клеточную мембрану по градиенту концентрации посредством диффузии в окружающее пространство. Когда концентрация этих автоиндукторов в окружающей среде ниже, чем внутри клетки, они движутся по градиенту и покидают клетку, поэтому не связываются со своим рецептором LuxR, находящимся в цитоплазме. Когда численность бактериальной популяции достигает порогового значения, и концентрация автоиндукторов в окружающей среде превышает концентрацию внутри клетки, они перемещаются по градиенту в клетку и связываются с рецептором. Таким образом, формируется комплекс LuxR-AHL. Этот комплекс связывается с 20-парным участком ДНК (bp), называемым lux-боксом. Этот участок расположен в или рядом с промоторной областью lux, которая находится примерно в 40 bp выше по течению от регулируемого гена. Поскольку LuxR связан с промотором, РНК-полимераза рекрутируется в эту промоторную область, и происходит индукция экспрессии гена. Более того, комплекс LuxR-AHL усиливает транскрипцию белка LuxI, что увеличивает продукцию AHL (положительная обратная связь). Транскрипция генов-мишеней регулируется, что обеспечивает скоординированную экспрессию генов всей популяции. Ряд исследований посвящен изучению потенциальных AHL, эффективных при инфекциях и устойчивости к антибиотикам. Система LuxR-LuxI, опосредованная AHL, является наиболее изученной системой QS у многолекарственно-устойчивых бактерий.
Bacterial quorum signalling begins with the N AHLs secreted into the environment. In the process of quorum sensing, first the LuxI protein synthesizes an acylated homoserin lactone molecule which can pass through cell membrane along the gradient through diffusion to the environmental space. When the concentration of these autoinducers in the environment is lower than inside the cell, they will move down the gradient and will leave the cell, therefore, they will not attach to their receptor, LuxR, which is in the cytoplasm. When the population of bacteria reaches a threshold, and the concentration of the autoinducers in the environment is higher than inside the cell, they will move along the gradient into the cell and will attach to the receptor. Thus, the LuxR AHL complex will be formed. This complex will bind to a 20 base pair (bp) section of DNA, called the lux box. This region is in or near the lux promoter region, which is located ~40 bp upstream of the regulated gene. Because LuxR is bound to the promoter, RNA polymerase is recruited to this promoter region and the gene expression is induced. Moreover, the LuxR AHL complex will upregulate the transcription of LuxI protein which will increase the production of AHLs (positive feedback loop). The transcription of the target genes will be regulated, and as gene expression of an entire population will be coordinated. Several studies have been investigating on the potential AHLs effective in infection and resistance to antibiotics. The LuxR–LuxI system mediated by AHLs is the best screened QS system in multi drug resistant bacteria species.
Уменьшение кворума
В отличие от кворумного зондирования, кворумное гашение предотвращает бактериальную коммуникацию и влияет на экспрессию генов. Объектами кворумного гашения являются сигнальные молекулы, биосинтетический аппарат сигнальных молекул и регуляторные белки, воспринимающие эти сигнальные молекулы. Основным механизмом является деградация AHL посредством ферментов, разрушающих AHL, и ограничение накопления сигнала. AHL разлагаются ферментами тремя способами: гидролизом лактонного кольца, гидролизом амидной связи и модификацией ацильной цепи. Гидролиз лактонного кольца происходит, когда AHL-лактоназа гидролизует гомосеринлактонные кольца. Этот процесс впервые был обнаружен у видов Bacillus. AHL-ацилазы катализируют полное и необратимое разрушение AHL посредством гидролиза амидных связей. AHL-оксидаза и AHL-редуктаза, впервые обнаруженные в Rhodococcus erythropolis, катализируют изменение химической структуры сигналов, что влияет на распознавание сигналов AHL и нарушает процессы, регулируемые кворумным зондированием. Другая AHL-аза – это P450-монооксигеназа Bacillus megaterium, которая окисляет жирные кислоты и N-жирноацильные аминокислоты. Лактоназы и ацилазы – два основополагающих механизма кворумного гашения. Лактоназы разрушают лактонные связи в аутоиндукторах, делая их неспособными связываться с целевыми регуляторами транскрипции и тем самым повышая устойчивость к заболеваниям.
As opposed to quorum sensing, quorum quenching, prevents bacterial communication and influences their gene expression. Targets of the quorum quenching are the signal molecules, the biosynthetic machinery of signal molecules, and the regulatory proteins that perceive these signal molecules with the AHL degradation via AHL degrading enzymes and limiting signal accumulation being the main mechanism. The AHLs are degraded by enzymes through three mechanisms: lactone hydrolysis, amide bond hydrolysis, and acyl chain modification. Lactone hydrolysis occurs when AHL Lactonase hydrolyzes homoserine lactone rings. This process was first observed in Bacillus species. AHL acylases catalyze the complete and irreversible destruction of AHLs through the hydrolysis of amide bonds. AHL oxidase and reductase, first discovered in Rhodococcus erythropolis, catalyze a change in the chemical structure of signals, which affects AHL signal recognition and interferes with quorum sensing regulated processes. The second AHLase is a Bacillus megaterium P450 monooxygenase that oxidizes fatty acids and N fatty acyl amino acids. Lactonases and acylases are the two pioneers of quorum quenching mechanisms. Lactonases break down the lactone bonds in autoinducers, making them unable to bind to target transcriptional regulators and thereby increasing disease resistance.
Влияние АХЛ на растения
Растения играют критически важную роль в формировании нашего мира, и их взаимоотношения с микроорганизмами имеют значительную важность. За долгую историю коэволюции растений и микробов, растения эволюционировали, чтобы реагировать на симбиотические или патогенные микробы соответствующим образом, изменяя профиль экспрессии генов – например, сотрудничество с бактериальными сапротрофами, приводящее к эндофитному образу жизни, или защитные реакции против патогенов. АХЛ играют важную роль в симбиозе ризобиума и бобовых, что приводит к образованию клубеньков. Эксперименты показали, что применение АХЛ активирует промотор GH3, ответственный за ауксины (повышает экспрессию генов, связанных с ауксинами), и подавляет экспрессию генов, связанных с цитокинином (изменение соотношения между ауксином и цитокинином может стимулировать рост). Кроме того, после применения АХЛ, образование клубеньков в корнях было усилено. Более того, поток воды и минеральных веществ через растение увеличивался по мере открытия устьиц, что изменяло общую скорость транспирации. Помимо опосредованных АХЛ полезных взаимодействий между бактериями и растениями, QS-сигнальные соединения АХЛ показали себя важным сигналом коммуникации в трехсторонних симбиотических взаимодействиях между бактериями, грибами и растениями. Эндофитная бактерия, обладающая автоиндукцией АХЛ и производящая различные АХЛ с длинними боковыми цепями, по-видимому, помогает грибу взаимодействовать симбиотически с колонизированными растениями-хозяевами. Гриб Serendipita indica, выделенный из ризосферы растений, связан с устойчивостью к стрессам и стимулированием роста растений. Было показано, что этот гриб содержит эндофитную бактерию Rhizobium radiobacter F4, гены которой отвечают за автоиндукцию АХЛ. При внесении R. radiobacter F4 в Arabidopsis или пшеницу (Triticum aestivum), наблюдалось аналогичное стимулирование роста и урожайности, а также активация защитных реакций и повышение адаптивности к окружающей среде. Интересно, что при истощении соединений АХЛ, колонизация корней, стимулирование роста и индукция устойчивости снижались. Эти результаты позволяют предположить, что при применении гриба S. indica для поддержания роста различных растений, эндофитные АХЛ-продуцирующие R. radiobacter колонизируют растение-хозяина и участвуют в координации взаимодействия между микробами и растением.
Plants have a critical role in shaping our world and their relationship with microorganisms is of significant importance. Over the long history of coevolution of plants and microbes, plants have evolved to respond to the symbiotic or pathogenic microbes in appropriate ways with an adapted gene expression profile such as cooperation with bacterial saprotrophs leading to an endophytic life or defense responses against pathogens. AHLs play an important role in the symbiosis of rhizobium and legumes which will result in the formation of nodules. Experiments have reported that application of AHLs activates the auxin responsible GH3 promoter (upregulate auxin related genes), and down regulates the genes related to cytokinin (the change in the ratio between auxin and cytokinin can promote growth). Also, followed by applying AHL, the nodulation in roots has been enhanced. Moreover, the water and mineral flow through the plant was higher as stomata opening increased, and therefore the overall transpiration rate changed. Aside from AHL mediated bacteria plant beneficial interactions, QS signaling AHL compounds were shown to function as important communication signal in tripartite symbiotic bacteria fungus plant interactions. The endophytic bacterium with AHL autoinduction and produces a variety of long side chain AHLs seems to assist the fungus to interact in a symbiotic manner with the colonized host plants. The fungus Serendipita indica, which was isolated from the rhizosphere of plants, is associated with stress tolerance and plant growth promotion. It was shown that this fungus harbors an endofungal bacterium, Rhizobium radiobacter F4, which genes of AHL autoinduction. When R. radiobacter F4 was inoculated to Arabidopsis or wheat (Triticum aestivum), it conferred similar stimulation of growth and yield, as well as priming of the defense responses and increasing environmental fitness. Interestingly, when the AHL compounds were depleted, root colonization, growth promotion and resistance inducing activities diminished. These findings suggest that whenever the fungus S. indica is applied to support growth vigor of diverse plants, the endofungal AHL producing R. radiobacter are colonizing the host plant and participate to steer the coordination of microbe plant interaction.
АХЛ и цикл азота
Микробы играют ключевую роль в определении судьбы азота в почве и воде. Ощущение кворума, опосредованное AHL, играет важную роль в азотном цикле. Все нитрифицирующие бактерии и некоторые денитрифицирующие бактерии используют AHL в качестве сигнальных молекул. AHL влияют на эффективность и регулируют функции, связанные с нитрификацией и денитрификацией. Некоторые бактериальные виды аммиак-окисляющих бактерий, такие как Nitrosomonas europaea, Nitrosospira multiformis, Nitrosospira briensis, используют AHL с длиной цепи от C6 до C14. Нитрит-окисляющие бактерии (NOB), такие как Nitrobacter winogradskyi, Nitrobacter vulgaris и Nitrospira moscoviensis, также используют AHL C8 или C10. Candidatus Jettenia caeni, осуществляющая анаэробное окисление аммония (анамокс), использует AHL C6 и C8. Кроме того, Pseudomonas aeruginosa и Paracoccus denitrificans, являющиеся денитрифицирующими бактериями, используют соответственно C4 HSL и C16 AHL. В некоторых нитрифицирующих и денитрифицирующих бактериях, таких как Nitrobacter hamburgensis, AHL не были обнаружены, несмотря на наличие предполагаемых белков синтетазы и рецепторов AHL.
Microbes are a key player in charge of the fate of nitrogen in soil and water. AHL mediated quorum sensing has an important role in Nitrogen cycle. All nitrifying bacteria and some denitrifying bacteria use AHL as their signal molecules. AHLs influence the efficiency of and regulate the functions involved in nitrification and denitrification. Some bacterial species of ammonia oxidizing bacteria, like Nitrosomonas europaea, Nitrosospira multiformis, Nitrosospira briensis, use C6 to C14 AHLs. Nitrite oxidizing bacteria (NOB), such as Nitrobacter winogradskyi, Nitrobacter vulgaris, and Nitrospira moscoviensis, also use C8 or C10 AHLs. Candidatus Jettenia caeni with anaerobic ammonium oxidation (annamox) mode uses C6 and C8 AHLs. Moreover, Pseudomonas aeruginosa and Paracoccus denitrificans as denitrifying bacteria also use C4 HSL and C16 AHL, respectively. In some of the nitrifying and denitrifying bacteria like Nitrobacter hamburgensis AHLs were not found although putative AHL synthetase and receptor proteins were.