Quorum sensing

Quorum sensing (QS) гэдэг нь нэг микроорганизм бусад микроорганизмтай харилцах арга буюу нэг бактерийн омог дотор түүнчлэн бактерийн зүйлүүд хооронд аутоиндукторын (autoinducer, AI) тусламжтайгаар бактерийн эсийн нягтралаас хамаараад генийн эксрессийг зохицуулах механизм юм. Бактери дахь эрдэс бодисын нэвчилт, өрсөлдөх чадвар, биофилм бүтээх, спор үүсгэх, токсин ялгаруулалт, өвчин үүсгэх, антибиотик нийлэгжүүлэх зэрэг янз бүрийн физиологийн үүргүүдэд оролцдог биохимийн / физиологийн чухал энэхүү процесс нь 1979 онд анх удаагаа Nealson KH, Hastings JW эрдэмтэдээр Vibrio fischeri болон Vibrio harveyi гэдэг 2 омгийн гэрэлттэг бактериудын жишээн дээр тайлбарлагдсан. Биологийн шинжлэх ухааны хөгжлийн үр дүнд эдгээр бактериудын гэрэлтэх процесс нь луциферазагын генийн экспресстэй хамааралтай, гэрэл цацруулах нь эсийн нягтралтай хамааралтай бөгөөд эдгээр нь химийн сигнал өөрөөр хэлбэл аутоиндуктортой шууд хамааралтай гэдэг нь тодорхой болсон. Байгалийн нөхцөлд бактери бусад бактериудтай нарийн холбоонд амьдардаг ба өвчин үүсгэгч болоод өвчин үүсгэгч бус бактериуд дахь QS систем нь хүрээлэн буй орчины өөрчлөлтөнд богино хугацаанд дасан зохицох эсийн үйл ажиллагааг зохицуулдаг. Бактерийн популяцийн талаар мэдээлэл авах боломжийг бактерид олгодог учраас "бактерийн хэл" гэж нэрлэх тохиолдол бий.

Механизм

Quorum sensing нь дараах 4 шаттай: (1) бактерийн эс жижиг химийн индукторыг нийлэгжүүлэх (2) идэвхитэй болоод идэвхигүй зөөвөрлөлтөөр тэдгээр химийн индукторуудыг эсийн гадна ялгаруулах (3) босго концентрацийг давахад тухайн молекул тодорхой рецептортай холбогдох (4) тодорхой нэг ген эсвэл бүлэг генүүдийн зохицуулгад өөрчлөлт орох.

Quorum sensing молекулуудын төрлүүд

Генийн экспресс эхлэх нь аутоиндукторын концентрациас хамаардаг. Ижилхэн аутоиндуктортой бактериуд хоорондоо харилцаж чадах учраас сигнал молекулуудын төрөл, сигнал дамжуулах зам болон зорилтот ген нь нэг бактерийн омогоос нөгөөд ихээхэн ялгаатай. Жишээлбэл Грам хасах бактерид N-acyl-homoserine lactone (AHL), Thiolactone ring (AIP), hydroxyl palmitic acid methyl ester (PAME), Foranozil methyl borate (AI-2) мөн Dodicanoiec acid methyl (DSF) гэх QS сигнал молекулууд байдаг ч ихэвчлэн AHL–г сигнал молекул болгон ашигладаг бол Грам нэмэх бактерид богино олигопептидүүд гэж тодорхойлогдсон.

Грам хасах бактери дахь Quorum sensing

Ихэнх хүнд өвчин үүсгэгч бактериуд нь Грам хасах төрөлд хамаарагддаг бөгөөд тэдгээрт QS бол нарийн комплекс процесс байдаг. Эзэн организмын дархлааны системийн эсрэг бактерийн хамгаалалтанд мөн өвчин үүсгэхэд QS маш чухал үүрэг гүйцэтгэдэг. Тодорхой эсийн нягтралд хүрэхэд нэгэн зэрэг генийн экспрессийг өөрчлөх замаар QS идэвхиждэг. Грам хасах бактериудад lux-төрлийн QS байдгаас LuxI-LuxR төрөл нь бүх Грам хасах бактерид илэрдэг хамгийн түгээмэл зам юм. Харин Escherichia coli болон Salmonella sp.-д LuxI систем байдаггүй. Ерөнхийдөө lux- төрлийн систем нь 2 төрлийн бүрэлдэхүүнээс бүрддэг: S-adenyosyl methionine-с AHL-үүдийг нийлэгжүүлдэг аутоиндуктор синтаза (LuxI), транскрипцийн зохицуулагч (LuxR). LuxI эсвэл түүний хомологууд нь эсийн гадна диффузлэгддэг ба босго түвшинд тодорхой зөөвөрлөгч сувгаар дамжуулагдан эсийн дотогш эргэн зөөвөрлөгдөөд LuxR-ыг идэвхижүүлдэг өдөөгч молекул болох AHL- ыг нийлэгжүүлдэг. LuxR генийн бүтээгдэхүүнүүд нь өвчин үүсгэгч хэд хэдэн генүүдийн хувьд транскрипцийн фактор нь болдог. QS хэлхээ болон тэдгээрийн өдөөгч молекул нь нэг бактерийн зүйлээс нөгөөд ихээхэн ялгаатай. Өөр өөр Грам хасах бактериуд хажуугийн гинжээрээ ялгаатай AHL молекулуудыг нийлэгжүүлдэг. Лактоны цагирагийн хажуугийн гинж нь QS идэвхэд чухал бөгөөд аутоиндукторийн идэвхэд нөлөөлдөг. Жишээлбэл Vibrio fisher-т лактоны цагирагт хомосерины оронд хомоцистейн холбогдсон байвал аутоиндукторийн идэвх буурдаг байна.

Pseudomonas aeruginosa дахь Quorum sensing механизм

Pseudomonas aeruginosa-д 3 төрлийн QS систем бий: AHL-р идэвхиждэг 2 төрөл LuxI/LuxR мөн quinolone-signaling зам. QS хэлхээний нэгдүгээрт , LasI ген нь эсийн гадна зөөвөрлөгддөг аутоиндуктор молекул болох 3-oxo-C12-homoserine lactone буюу LasI уургийг нийлэлжүүлдэг. LasI уураг цитоплазм руу эргэж зөөвөрлөгдөөд LasR уурагтай холбогддог. Ауто-өдөөгч молекул нь LasR-тай харилцан үйлчлээд хэдэн өвчин үүсгэгч генийн хувьд транскрипцийн фактор болж ажилладаг учраас протеаза, эксотоктин А, эластаза зэрэг генүүдийг идэвхижүүлдэг. Хоёр дахь хэлхээнд, LuxI-н хомолог болох rhlI нь 3-oxo-C12-homoserine-LasR комплексэнд холбогдох домайнтай. 3-oxo-C12- AHL-LasR болон rhlI-ны харилцан үйлчлэлийн үр дүнд хоёрдогч AHL буюу butanoyl homoserine lactone (BHL) нйилэгжиж BHL нь RhlR руу холбогдоод өвчин үүсгэгч генүүдэд транскрипцийн фактор болно. las болон rhl генүүдийн идэвхигүйжүүлэлт P. аeruginosa-н өвчин үүсгэгч чадамжийг багасгадаг гэдэг нь тодорхой болсон. QS хэлхээний гуравдугаарт, 4-hydroxy-2-alkylquinolines (HAQs) нь MvfR генийн транскрипцийг зохицуулдаг. las, rhl, ба mvfR QS cистем нь эсийн үйл ажиллагааг зохицуулах ерөнхий үйл ажиллагааны чухал хэсэг юм. Жишээлбэл QS систем нь янз бүрийн орчинд амьд үлдэх түүнчлэн эзэн организмын дархлааны системээс зугтахад P. аeruginosa-нд тусладаг.

Vibrio cholerae дахь Quorum sensing механизм

Vibrio cholerae-д өвчин үүсгэгч хүчин зүйлийн экспресс 2 параллель QS системээр хянагддаг. V. cholerae-н халдварлах хэлбэр нь эсийн нягтралтай их хамааралтай. V. cholerae-д 2 төрлийн ауто- өдөөгч (AI) тодорхойлогдоод байна: AI-1 S-3- hydroxytridecan-4-one буюу CAI-1 болон AI-2 2S,4S-2-methyl-2,3,3,4 tetrahydroxytetrahydrofuran borate. Энэхүү 2 өдөөгч молекулууд нь өөр өөр эсийн мембран рецептортой, AI-1 нь CqsS рецептортой харин AI-2 нь LuxPQ рецептортой холбогддог. Эсийн нягтрал бага тохиолдолд, энэхүү 2 рецепторууд киназа шиг ажилладаг бөгөөд LuxU-г фосфоржуулаад дараагаар нь 4 ген бүхий Qrr sRNAs-г идэвхижүүлдэг. Идэвхитэй болсон Qrr генүүд AphA mRNA-тай холбогдоод түүний экспрессийг эхлүүлдэг ч мөн HapR mRNA-г бүрхээд HapR уургийг задладаг. AphA mRNA генийн бүтээгдэхүүн бусад уурагтай хамтраад токсин нийлэгжүүлдэг генүүдийн экспрессийг эхлүүлдэг. Эсийн нягтрал их тохиолдолд, CAI-1болон AI-2-ны рецепторууд фосфатаза шиг ажилладаг тиймээс фосфоргүй болсон LuxU эцсийн дүнд Qrr sRNAs генүүдийг идэвхигүйжүүлдэг. Үр дүнд нь HapR mRNA өөрийнхөө экспрессийг эхлүүлж эсийн нягтралыг нэмэгдүүлэхтэй холбоотой хэдэн генүүдэд транскрипцийн фактор болдог HapR уургийг үйлдвэрлэдэг. HapR уураг нийлэгжих нь биофилм бүтээхийг бууруулж хорт бодисыг ялгаруулдаг ингэснээр бактерийн тархалтыг нэмэгдүүлдэг.

Vibrio sp дахь биолюминесцэнц-тэй холбоот Quorum sensing систем

Vibrio harveyi бол байгалийн нөхцөлд гэрэлтдэг ба энэхүү гэрэл үйлдвэрлэх шинж чанар нь QS системээр гол төлөв хянагддаг далайн бактери юм. V. harveyi-н тохиолдолд биолюминесцэнц шинж чанар нь 3 төрлийн QS хэлхээгээр хянагддаг: CqsS-тай холбогддог CAI-1, LuxN-тай холбогддог HAI-1 мөн LuxQ-тай холбогддог AI-2. Эсийн нягтрал бага үед, хистидин киназа шиг ажиллдаг мембран рецепторууд нь фосфорждог. Идэвхитэй болсон киназа рецептор фосфорын группыг LuxU- нд зөөдөг ба LuxU-Р дараагаар нь фосфорын группыг LuxO -нд зөөдөг. Дараа нь LuxO хэд хэдэн генүүдийг идэвхижүүлдэг ба эцэст нь люцифэразагын генийн транскрипцийн үүрэгтэй LuxR mRNA-г блоклодог. Эсрэг тохиолдолд буюу эсийн нягтрал их үед, өдөөгч молекулууд мембран рецептортой холбогдож өөрийнхөө ауто-фосфоржилтыг идэвхигүйжүүлдэг тиймээс фосфатаза шиг ажиллаж байна гэсэн үг. Фосфоргүй болсон үед, LuxU нь LuxO-г идэвхижүүлдэггүй. Энэ нөхцөлд, LuxR mRNA тогтвортой болдог бөгөөд гэрэл гаргадаг люцифэразын генийн экспрессийг эхлүүлдэг.

Salmonella sp дахь Quorum sensing хамааралтай өчин үүсгэх чадамжийн зохицуулга

Salmonella бол хоолны хордлого болон сальмонеллез үүсгэдэг Грам хасах бактери юм. Хорт хүчин зүйлийн зохицуулга болон ялгаруулалт нь QS системээр бүрэн хянагддаг. Бусад Грам хасах бактериудаас ялгаатай нь LuxR-LuxI систем Salmonella-д байхгүй учраас AHL молекулыг нийлэгжүүлэх боломжгүй байдаг. LuxR-н хомолог болох SdiA-тай байдаг ч LuxI байхгүй. Хүрээлэн буй орчинд нь байгаа бусад бактериудаар нийлэгжсэн AHL нь SdiA гентэй харилцан үйлчилж транскрипцийн фактор шиг нөлөөлдөг. Идэвхитэй болсон SdiA ген нь бактерийг зугтахад тусладаг rck генийг багтаасан хэдэн генийн транскрипцийг хянадаг. Хорт хүчин зүйлийн ялгаралтанд чухал үүрэгтэй SdiA-н gene downstream болох uvrC ген бий. Salmonella дахь LuxS хамааралт QS системийн хувьд LuxS ген S-ribosyl-homocysteine-г homocysteine болгож хувиргадаг мөн AI-2-н прэкурсор болох 4,5-dihydroxyl-2,3-pentanedione эсвэл DAP-г бүрэлдүүлдэг. LuxS зохицуулгат оперон Isr нь эсийн гаднах AI-2-тай харилцан үйлчилж нэвтрүүлдэг мембран уургийг нийлэгжүүлдэг. Isr опероны upstream-д AI-2-н фосфоржилтонд оролцох үүрэгтэй IsrK буюу фосфокиназа ген байдаг. Идэвхижсэн AI-2 нь LsrR-тай холбогдсоноор LsrR-г идэвхигүйжүүлдэг. LsrR-н идэвхигүйжүүлэлт Isr опероныг болоод бусад холбоотой генүүдийг нь идэвхижүүлдэг.

Грам нэмэх бактери дахь Quorum sensing

Өвчин үүсгэгч Грам нэмэх бактериуд нь өвчин үүсгэхдээ эс хоорондын харилцан холбоог хэрэглэдэг. Аутоиндуктор пептидүүд (AIPs) гэж нэрлэгддэг олигопептидүүдийг нийлэгжүүлэх болоод тэдгээрийг эргэн таних дээр тулгуурладаг. Хамгийн сайн судлагдсан систем бол Staphylococcus aureus-ын quorum-sensing систем бөгөөд agr зохицуулагч генээр кодлогддог. agr систем бол S. aureus-н өвчин үүсгэх хүчин зүйлүүдийн нийлэгжлийг хянах замын чухал хэсэг юм. Түүнчлэн биофилм бүтээхэд оролцдог. agr локус нь 2 өөр транскриптээс бүтдэг: RNAII (agrB, agrD, agrC болон agrA-г кодлодог), RNAIII. Эдгээр транскриптүүд нь эсийн ханатай холбоотой уургуудын нйилэгжлийг дарангуйлдаг ба эсийн нягтрал их үед хариу үзүүлдэг экзопротейнуудын нийлэгжлийг дэмждэг. S. aureus-ны эсийн ханатай холбоотой адхезинууд нь клонизацид оролцдог бол ялгаруулсан бүтээгдэхүүнүүд нь тархалтанд хэрэгтэй. RNAII-аар кодлогддог 4 ген нь AIP-ны нийлэгжил болоод танихад оролцдог. agrD нь аутоиндуктор сигнал пептидүүдийн прэкурсорыг кодлодог байхад мембран интеграл уураг болох AgrB нь agrD-н боловсруулалт болон thiolactonemodified cyclic oligopeptide хэлбэрээр ялгаруулахад оролцдог. AgrA болон AgrC нь 2 хэсгээс бүрдсэн хистидин киназа-н хариу үйлдлийг зохицуулагч хос-г бүрдүүлдэг бөгөөд энэ нь AIP-н эсийн гаднах хуримтлалд хариу үзүүлдэг. AgrA-AgrC-ны идэхвхижилт нь RNAII болон RNAIII-ны транскрипцийг өдөөдөг. RNAIII-ны транскрипт нь зохицуулагч уураг кодлохын оронд agr системд өвчин үүсгэх генийн репрессорын трансляцийг дарангуйлах замаар ажилладаг зохицуулах нөлөөтэй молекул юм. Мөн RNAIII нь d-хемолизинийг кодлодог. S. aureus-н омгуудад AIP болон AgrC-ны дарааллаараа ялгаатай 4 төрлийн agr байдаг. AIP болон AgrC рецепторуудын хоорондох харилцан үйлчлэл нь маш нарийн тодорхой байдаг. Өөрөөр хэлбэл тодорхой нэг сигнал пептид зөвхөн тодорхой төрөл рецепторыг л идэвхижүүлнэ.