تأثیر سیستم حساسیت جمعیتی در بیماری‌زایی باکتری گرم مثبت استافیلوکوکوس اورئوس

Staphylococcus aureus

تأثیر سیستم حساسیت جمعیتی در بیماری‌زایی باکتری گرم مثبت استافیلوکوکوس اورئوس

پریسا بهشود۱، بهناز ناطقی۲، الهه شمس۳، حسین وزینی۴*

۱: گروه میکروبیولوژی، واحد شهرکرد، دانشگاه آزاد اسلامی، شهرکرد، ایران.

۲: گروه بیوشیمی، دانشکده علوم، موسسه آموزش عالی نور دانش، میمه، اصفهان، ایران.

۳: باشگاه پژوهشگران جوان و نخبگان، واحد فلاورجان، دانشگاه آزاد اسلامی، اصفهان، ایران.

۴: گروه پرستاری، دانشکده علوم پایه، واحد همدان، دانشگاه آزاد اسلامی، همدان، ایران.

Hossein_vazini@yahoo.com

 

چکیده

بسیاری از باکتری‌ها برای تنظیم فعالیت‌های فیزیولوژیکی متنوع خود از جمله قدرت بیماری‌زایی، اسپورزایی، حرکت، تشکیل بیوفیلم و غیره از سیستم حساسیت جمعیتی استفاده می‌کنند. باکتری‌ها می‌توانند از طریق مولکول‌های القاکننده خود‌به‌خودی با یکدیگر ارتباط برقرار کنند. باکتری‌های گرم منفی هموسرین لاکتون‌ها را به‌عنوان القاکننده خود به خودی برای برقراری ارتباط مورد استفاده قرار می‌دهند که تنظیم بیان ژن در پاسخ به میزان تغییرات مولکول‌های القاکننده صورت می‌گیرد و به تراکم جمعیت سلولی وابسته می‌باشد. هدف از این مطالعه بررسی نقش سیستم حساسیت جمعیتی در بیماری‌زایی دو باکتری گرم منفی اشریشیاکلی و سودوموناس آئروژینوزا و کنترل بیان ژن‌های بیماری‌زا در میزبان می‌باشد. این مطالعه بر اساس سایر مطالعات منتشرشده مرتبط با موضوع از طریق پایگاه داده‌های Pub Med، NCBI و Scholar انجام شده است. شناخت دقیق مکانیسم حساسیت جمعیتی می‌تواند در کنترل و بهبود بیماری‌ها و درمان ضدمیکروبی کمک شایانی نماید. در مجموع سیستم حساسیت جمعیتی زمینه جدیدی برای تحقیق‌های کاربردی در زیست‌شناسی و پزشکی برای کنترل بیماری‌زایی باکتری‌ها ایجاد نموده است.

کلمات کلیدی: سیستم حساسیت جمعیتی (QS) Quorum Sensing، القاکننده‌های خودبه‌خودی Autoinducers (AIs)، استافیلوکوکوس اورئوس

 

مقدمه

باکتری‌ها می‌توانند با تولید و آزادسازی مولکول‌های کوچک قابل انتشار که به‌عنوان سیگنال عمل می‌کنند، با یکدیگر ارتباط برقرار کنند. این مولکول‌ها القاکننده‌های خودبه‌خودی یا (AIs)Autoinducers  نامیده می‌شوند. این باکتری‌ها برای مولکول‌های AI دارای رسپتور می‌باشند (به همین خاطر این مواد را خودالقاکننده یا Autoinducers می‌نامند زیرا موجب تحریک خود باکتری هم می‌شوند). AIs در سطوح پایه تولید و غلظت آنها با رشد افزایش می‌یابد. از آنجا که این سیگنال‌ها می‌توانند از طریق غشاء پخش شوند، غلظت آنها در داخل سلول تقریباً با غلظتشان در محیط زیست باکتری‌ها مشابه است. به محض رسیدن به غلظت بحرانی، مولکول‌های سیگنال می‌توانند با اتصال گیرنده در داخل، سلول‌های باکتریایی را فعال کنند. این گیرنده‌ها سپس با تغییر بیان ژن می‌توانند به فعال شدن رفتاری که تحت شرایط خاص مفید است منجر شود. این پدیده وابسته به غلظــت و تــراکــم ســلول حســــاسیت جمعیـــــــتی یا Quorum sensing نامیده می‌شود (Antunes & Ferreira, 2009; Bassler & Losick, 2006; Fuqua et al., 1994; Fuqua & Greenberg, 2002). درواقع در این پدیده، باکتری‌ها از تعداد باکتری‌های اطراف خود باخبر شده و بر اساس اینکه تعداد آنها زیاد یا کم است رفتار خود را در مواجهه با محیط پیرامون تنظیم می‌کنند، آنها همچنین به‌واسطه این پدیده رفتار خود را با یکدیگر نیز هماهنگ می‌کنند، برای مثال در یک توده باکتری که به حدنصاب کافی رسیده و این حدنصاب را درک کرده‌اند، همگی تولید آلژینات کلسیم کرده و توده مذکور به‌صورت یک کلنی موکوئیدی درآمده و در نتیجه مقاومت فوق‌العاده‌ای نسبت به عوامل خارجی می‌یابد و این درحالیست که باکتری‌های مذکور زمانی که به‌صورت تک‌سلولی و با تراکم کمی در محیط وجود دارند، این ماده را تولید نمی‌کنند و نیازی هم به تولید آن ندارند زیرا میزان آن زمانی که به‌تنهایی توسط یک باکتری تولید می‌شود به‌قدری کم است که کار زیادی را از پیش نخواهد برد و فقط امری هزینه‌بر برای باکتری محسوب می‌شود. مثال دیگر باکتری‌ها فرصت‌طلبی هستند که در محیط میزبان خود رشد کرده بدون اینکه به آن آسیبی بزنند، حال زمانی که تعداد این باکتری‌ها به تعداد مشخصی افزایش یابد که بتوانند به سیستم ایمنی میزبان غلبه کنند از حالت فرصت‌طلب خارج شده و چهره‌ای تهاجمی به خود می‌گیرند (Antunes et al., 2010; Rutherford and Bassler, 2012). از مهم‌ترین AIs که زیاد مورد مطالعه قرار گرفته لاکتون‌های N-acylhomoserine (AHLs) باکتری‌های گرم منفی، پپتیدهای باکتری‌های گرم مثبت و یک کلاس از AIs به نام AI-2 می‌باشند که ساختارهای آنها در بسیاری از موارد ناشناخته باقی مانده است (Antunes & Ferreira, 2009). AHLها معمولاً از طریق اتصال به گیرنده‌های پروتئینی سیتوپلاسمی فعال شده که پس از شناسایی سیگنال دیمر می‌توانند به پروموتور نواحی ژن‌های هدف متصل شوند و سبب فعال یا سرکوب رونویسی آنها گردنــــد (Fuqua et al., 1994). پپتیدها معمولاً از طریق اتصال به گیرنده پروتئین غشایی خانواده سیستم دوگانه تشخیص داده می‌شوند، هرچند برخی نیز می‌توانند قبل از واکنش با گیرنده‌های خود وارد سیتوپلاسم شوند (Novick & Geisinger, 2008; Pottathil & Lazazzera, 2003). حساسیت جمعیــتی یا Quorum sensing در اصل در باکتری فلورسنت دریایی Vibrio fischeri توصیف شد که به‌عنوان مکانیسم کنترل تولید نور و صفات متعدد دیگر عمل می‌کند (Antunes et al., 2007; Eberhard et al., 1981; Engebrecht et al., 1983; Engebrecht & Silverman, 1984). در مطالعه حاضر به نقش Quorum sensing در بیماری‌زایی باکتری‌ها با استفاده از چندین ارگانیسم مدل و همچنین کنترل بیان ژن‌های بیماری‌زایی که در طی عفونت‌زایی در میزبان مهم‌اند و نیز استراتژی‌های موجود در کنترل بیماری‌زایی باکتری‌ها با استفاده از مهارکننده‌های این پدیده می‌پردازیم.

 

پدیده Quorum sensing در بیماری‌زایی Staphylococcus aureus

بسیاری از باکتری‌های گرم مثبت از سیستم پپتیدی حساسیت جمعیتی برای کنترل بیان ژن‌ها استفاده می‌کنند و استافیلوکوکوس اورئوس به‌عنوان یک مدل برای مطالعه باکتری پپتید سیگنالینگ باکتریایی بررسی می‌شود (Novick & Geisinger, 2008). این ارگانیسم یکی از میکروب‌های انسان است و در حدود ۳۰% از جمعیت بزرگسال یافت می‌شود (George & Muir, 2007; Roux et al., 2009). استافیلوکوکوس اورئوس یکی از عوامل اصلی عفونت‌های کسب‌شده از اجتماع و بیمارستان است. این باکتری یکی از اعضای فلور میکروبی انسان است که مسئول میزان وسیعی از عفونت‌ها از قبیل آبسه زیرجلدی، کورک، کفگیرک، سندروم پوست برهنه، سندروم شوک سمی، سپسیس و پنومونی است (Jarraud et al., 2002). با وجود شیوع گسترده آن در افراد سالم، استافیلوکوکوس اورئوس یک پاتوژن فرصت‌طلب بسیار خطرناک است که به‌طور فزاینده‌ای همراه با مقاومت آنتی‌بیوتیکی می‌باشد (George & Muir, 2007). علاوه بر این، استافیلوکوکوس اورئوس به شکل بیوفیلم در بسیاری از سطوح از جمله دستگاه مجاری ادراری و استنت عروق وجود دارد (Kehinde et al., 2004). این ابزارهای کاشتنی پس از تشکیل بیوفیلم بر روی آنها، به‌عنوان خطر جدی برای عفونت استافیلوکوکوس مطرح می‌شوند (Balaban et al., 2007). یکی از عوامــلی که در بیماری‌زایی S. aureus مشارکت دارد، پپتید کدشده مبتنی بر سیستم حدنصاب است که توسط لوکوس ژن تنظیمی کمکی (agr) یا accessory gene regulator می‌باشد (Novick & Geisinger, 2008) (شکل ۱).

 

شکل ۱: سیستم agr مسئول کنترل و هماهنگی تولید فاکتورهای ویرولانس استافیلوکوکوس اورئوس

 

در بسیاری از بیماری‌های انسانی ناشی از استافیلوکوکوس اورئوس، سیستم agr مسئول کنترل و هماهنگی تولید فاکتورهای ویرولانس، اگزوتوکسین‌های ترشحی و همولیزین‌ها می‌باشد. سیستم agr تصور می‌شود که در تنظیم بیش از ۷۰ ژن نقش داشته که ۲۳ تا از آنها به‌عنوان عوامل حدت شناخته شــــــــــده است (George & Muir, 2007). این سیستم متشکل از دو جز شامل لوکوس agr که رفتارش وابسته به تراکم سلول باکتری است (پدیده Quorum sensing) و ترشح پپتید خودالقاگر (Auto inducer peptide) است که به جمعیت باکتری این امکان را می‌دهد که به یک غلظت آستانه یا بحرانی برسد (Novick et al., 1993). لوکوس agr از دو واحد رونویسی مختلف شامل RNAIII و RNAII تشکیل شده است که توسط پروموتورهای P2 و P3 از هم متمایز می‌شوند. اپران P2 مسئول کد کردن چهار پروتئین agrA،agrB ، agrC و agrD است و پروموتور P3 در مسیری مخالف، RNAIII یا همان مولکول افکتور سیستم agr را کد می‌کند (Novick et al., 1995; Roux et al., 2009). RNAIII یک RNA تنظیمی با ۵۱۴ نوکلئوتید است که همچنین به‌عنوانmRNA  برای سیگما توکسین عمل می‌کند (Kong et al., 2006 Benito et al., 2000;). agrC با همکاری agrA سیستم دوجزئی انتقال (signal transduction) را تشکیل می‌دهند کهagrC  به‌عنوان گیرنده در غشا قرار دارد و agrA که تنظیم‌کننده پاسخ است و برای رونویسی مولکول RNAIII و اپران agr لازم است (Novick et al., 1993).

پپتید خودالقاگر دارای یک حلقه تیولاکتونی است که در ابتدای فاز نمایی تولید شده و باعث فعال شدن دو پروموتور P2 و P3 می‌شود. استافیلوکوکوس اورئوس را می‌توان بر اساس تفاوت در توالی ژن agrC که کدکننده گیرنده پپتید خودالقاگر است و ژن agrD که کدکننده پپتید خودالقاگر است به چهار گروه agrI، agrII،agrIII  و agrIV تیپ‌بندی کرد (Ji et al., 1995; Sakoulas et al., 2006).

 

نقش سیستم agr در تشکیل بیوفیلم

یکی دیگر از راه‌های تأثیر سیستم agr به‌عنوان عامل حدت، نقش آن در تشکیل بیوفیلم است. بیوفیلم مزایای بسیاری از جمله توانایی استفاده از ذخایر غذایی بهتر و سازگاری در برابر تغییرات محیطی، مقاومت نسبت به برخی از آنتی‌بیوتیک‌ها و مقاومت در برابر شرایط نامساعد محیطی را به باکتری می‌بخشد. تصور می‌شود که استف اورئوس دارای دو مکانیسم مجزا در تشکیل بیوفیلم است؛ اولی شامل پلی‌ساکارید خارج سلولی و پلی‌ساکارید چسبنده بین سلولی (PIA) است و دومین مکانیسم مستقل از PIA، احتمالاً شامل پروتئین‌های چسبنده و نواحی تنظیمی sarA و agr می‌باشند (Lauderdale et al., 2009; Novick & Geisinger, 2008).

هنگامی که agr غیرفعال است، استافیلوکوکوس اورئوس دارای توانایی چسبندگی زیادی می‌باشد (Vuong et al., 2000)؛ بنابراین، هنگامی که agr فعال نیست، باکتری‌ها در اولین مرحله تشکیل بیوفیلم یعنی اتصال به سطح، باقی می‌مانند. با این حال، agr همچنین برای جدا شدن دسته‌های سلولی از بیوفیلم مهم است (Kong et al., 2006). در سویه‌های جهش‌یافته agr، نقص جدا شدن و جدا شدن باکتری‌ها از بیوفیلم پس از بیان agr پدیدار می‌گردد (Kong et al., 2006; Yarwood et al., 2004)، به‌علاوه جهش‌یافته‌های agr نسبت به آنهایی که توانایی بیان agr را دارند دارای چسبندگی زیاد و تشکیل بیوفیلم پایدار قوی‌تری هستند (Novick & Geisinger, 2008). به نظر می‌رسد که نقشagr  با کاهش تولید چسبنده‌ها و افزایش تولید D-haemolysin و پروتئازها همراه است (Novick & Geisinger, 2008)؛ بنابراین، نقش مهم Quorum sensing در استافیلوکوکوس اورئوس تنظیم تشکیل بیوفیلم، به‌عنوان یک عامل اصلی در بیماری‌زایی آن می‌باشد.

 

نتیجه‌گیری

مکانیسم حساسیت جمعیتی در کنترل و تنظیم بیان ژن‌ها و عوامل دخیل در قدرت بیماری‌زایی، اسپورزایی و حرکت، تولید بیوفیلم، رنگدانه، نور، پلی‌ساکارید، دسترسی و تجزیه مواد غذایی، متابولیت‌های ثانویه نظیر آنتی‌بیوتیک‌ها و حتی ارتباط میکروارگانیسم‌ها با یکدیگر نقش دارد، در نتیجه، شناخت دقیق این مکانیسم می‌تواند در کنترل و بهبود بیماری‌ها و درمان ضدمیکروبی کمک شایانی نماید، علاوه بر این مطالعاتی در زمینه کاربرد سیستم حساسیت جمعیتی در بیوتکنولوژی و به‌منظور تولید محصولات با ارزش اقتصادی آغاز شده است. در مجموع سیستم حساسیت جمعیتی زمینه جدیدی برای تحقیق‌های کاربردی در زیست‌شناسی و پزشکی ایجاد نموده است.

 

منابع:

Antunes, L. C. M., & Ferreira, R. B. (2009). Intercellular communication in bacteria. Critical reviews in microbiology۳۵(۲), ۶۹-۸۰٫

Antunes, L. C. M., Ferreira, R. B., Buckner, M. M., & Finlay, B. B. (2010). Quorum sensing in bacterial virulence. Microbiology۱۵۶(۸), ۲۲۷۱-۲۲۸۲٫

Balaban, N., Cirioni, O., Giacometti, A., Ghiselli, R., Braunstein, J. B., Silvestri, C., … & Scalise, G. (2007). Treatment of Staphylococcus aureus biofilm infection by the quorum-sensing inhibitor RIP. Antimicrobial agents and chemotherapy۵۱(۶), ۲۲۲۶-۲۲۲۹٫

Bassler, B. L., & Losick, R. (2006). Bacterially speaking. Cell۱۲۵(۲), ۲۳۷-۲۴۶٫

Bendiak, G. N., & Ratjen, F. (2009, October). The approach to Pseudomonas aeruginosa in cystic fibrosis. In Seminars in respiratory and critical care medicine (Vol. 30, No. 05, pp. 587-595). © Thieme Medical Publishers.

Eberhard, A., Burlingame, A. L., Eberhard, C., Kenyon, G. L., Nealson, K. H., & Oppenheimer, N. J. (1981). Structural identification of autoinducer of Photobacterium fischeri luciferase. Biochemistry۲۰(۹), ۲۴۴۴-۲۴۴۹٫

Engebrecht, J., Nealson, K., & Silverman, M. (1983). Bacterial bioluminescence: isolation and genetic analysis of functions from Vibrio fischeri. Cell۳۲(۳), ۷۷۳-۷۸۱٫

Engebrecht, J., & Silverman, M. (1984). Identification of genes and gene products necessary for bacterial bioluminescence. Proceedings of the National Academy of Sciences۸۱(۱۳), ۴۱۵۴-۴۱۵۸

Fuqua, W. C., Winans, S. C., & Greenberg, E. P. (1994). Quorum sensing in bacteria: the LuxR-LuxI family of cell density-responsive transcriptional regulators. Journal of bacteriology۱۷۶(۲), ۲۶۹٫

Fuqua, C., & Greenberg, E. P. (2002). Listening in on bacteria: acyl-homoserine lactone signalling. Nature reviews. Molecular cell biology۳(۹), ۶۸۵٫

George, E. A., & Muir, T. W. (2007). Molecular mechanisms of agr quorum sensing in virulent staphylococci. Chembiochem۸(۸), ۸۴۷-۸۵۵٫

Jarraud, S., Mougel, C., Thioulouse, J., Lina, G., Meugnier, H., Forey, F. & Vandenesch, F. (2002). Relationships between Staphylococcus aureus genetic background, virulence factors, agr groups (alleles), and human disease. Infection and immunity۷۰(۲), ۶۳۱-۶۴۱٫

Ji, G., Beavis, R. C., & Novick, R. P. (1995). Cell density control of staphylococcal virulence mediated by an octapeptide pheromone. Proceedings of the National Academy of Sciences۹۲(۲۶), ۱۲۰۵۵-۱۲۰۵۹٫

Kehinde, E. O., Rotimi, V. O., Al-Hunayan, A., Abdul-Halim, H., Boland, F., & Al-Awadi, K. A. (2004). Bacteriology of urinary tract infection associated with indwelling J ureteral stents. Journal of endourology۱۸(۹), ۸۹۱-۸۹۶٫

Kong, K. F., Vuong, C., & Otto, M. (2006). Staphylococcus quorum sensing in biofilm formation and infection. International Journal of Medical Microbiology۲۹۶(۲), ۱۳۳-۱۳۹٫

Lauderdale, K. J., Boles, B. R., Cheung, A. L., & Horswill, A. R. (2009). Interconnections between Sigma B, agr, and proteolytic activity in Staphylococcus aureus biofilm maturation. Infection and immunity۷۷(۴), ۱۶۲۳-۱۶۳۵٫

Novick, R. P., & Geisinger, E. (2008). Quorum sensing in staphylococci. Annual review of genetics۴۲, ۵۴۱-۵۶۴٫

Novick, R. P., Ross, H. F., Projan, S. J., Kornblum, J., Kreiswirth, B., & Moghazeh, S. (1993). Synthesis of staphylococcal virulence factors is controlled by a regulatory RNA molecule. The EMBO journal۱۲(۱۰), ۳۹۶۷٫

Novick, R. P., Projan, S. J., Kornblum, J., Ross, H. F., Ji, G., Kreiswirth, B., … & Moghazeh, S. (1995). Theagr P2 operon: An autocatalytic sensory transduction system inStaphylococcus aureus. Molecular and General Genetics MGG۲۴۸(۴), ۴۴۶-۴۵۸٫

Pottathil, M., & Lazazzera, B. A. (2003). The extracellular Phr peptide-Rap phosphatase signaling circuit of Bacillus subtilis. Front Biosci۸, d32-d45.

Roux, A., Payne, S. M., & Gilmore, M. S. (2009). Microbial telesensing: probing the environment for friends, foes, and food. Cell host & microbe۶(۲), ۱۱۵-۱۲۴٫

Rutherford, S. T., & Bassler, B. L. (2012). Bacterial quorum sensing: its role in virulence and possibilities for its control. Cold Spring Harbor perspectives in medicine۲(۱۱), a012427.

Sakoulas, G. (2006). The accessory gene regulator (agr) in methicillin-resistant Staphylococcus aureus: role in virulence and reduced susceptibility to glycopeptide antibiotics. Drug Discovery Today: Disease Mechanisms۳(۲), ۲۸۷-۲۹۴٫

Vuong, C., Saenz, H. L., Götz, F., & Otto, M. (2000). Impact of the agr quorum-sensing system on adherence to polystyrene in Staphylococcus aureus. The Journal of infectious diseases۱۸۲(۶), ۱۶۸۸-۱۶۹۳٫

Yarwood, J. M., Bartels, D. J., Volper, E. M., & Greenberg, E. P. (2004). Quorum sensing in Staphylococcus aureus biofilms. Journal of bacteriology۱۸۶(۶), ۱۸۳۸-۱۸۵۰٫

نقش Quorum sensing در باکتری‌ها (۲)

نقش Quorum sensing در باکتری‌ها (قسمت اول)

مروری تازه بر خانواده استافیلوکوک‌ها

نگاهی اجمالی بر روش‌های تشخیص آزمایشگاهی استافیلوکوکوس اورئوس مقاوم به متی‌سیلین

بیوفیلم باکتریایی(در تب جدید مرورگر باز می شود )

برای دانلود فایل pdf  بر روی لینک زیر کلیک کنید

برچسبها
  • استافیلوکوکوس اورئوس
  • الهه شمس
  • بهناز ناطقي
  • پريسا بهشود
  • حساسیت جمعیتی
  • حسين وزيني

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *