کاربردهای Quorum sensing (بخش سوم)

کاربردهای Quorum sensing

(بخش سوم)

لیلا دهاقین

فوق لیسانس بیماری‌شناسی گیاهی – دانش آموخته دانشگاه تربیت مدرس

 

روشن شدن برخی از جنبه‌های مکالمه  باکتری‌ها (و نه همه آنها) ایده‌هایی را برای استفاده از این پدیده مهم در ذهن محققان ایجاد کرده است که تعدادی از آنها در اینجا نام برده شده و به دلیل اهمیت مورد اول در سلامتی انسان به‌صورت خلاصه به آن پرداخته می‌شود.

۱-‌ کنترل بیماری‌های گیاهی و جانوری

۲-‌ طراحی شبکه‌های ژنی سنتتیک

۳-‌ کاربردهای آن در تولید محصولات مفید تخمیری

 

کنترل بیماری‌های گیاهی و جانوری

الف) تولید گیاهان تراریخته

پدیده Q.S برای کنش میان باکتری (چه پاتوژن و چه همزیست) و گیاه میزبان ضروری می‌باشد. فعال شدن و بروز صفاتی که مسئول کنش باکتری با گیاه میزبان هستند در مراحل زمانی مشخص، استقرار موفقیت‌آمیز جمعیت باکتریایی را در گیاه میزبان تضمین می‌کند. بروز زودهنگام این صفات می‌تواند باعث تحریک سیستم دفاعی میزبان شده و بنابراین برای جمعیت باکتریایی نابودکننده باشد. این ایده برای تولید گیاهان تراریخته‌ای که آنزیم‌های AHL سنتتاز باکتریایی را کد می‌کنند، بکار گرفته شده است. تولید مولکول‌های سیگنال AHL توسط گیاه تراریخته یک پیام اشتباه را به باکتری در مورد تراکم جمعیت آن می‌فرستد که نهایتاً باعث بروز صفات کنترل‌شونده به‌واسطه Q.S شده و سیستم دفاعی میزبان را قبل از افزایش جمعیت باکتریایی تحریک می‌کند. اگرچه تولید گیاهان تراریخته به‌وسیله کلون کردن AHL سنتتازها امیدهایی را برای جلوگیری از بروز بیماری‌های گیاهی ایجاد کرده است، اما این مسئله می‌تواند همچنین سیستم‌های Q.S را در سایر فلورهای بالقوه مفید موجود در خاک نیز مورد هدف قرار دهد و منجر به بروز نتایج و پیش‌آمدهای نامطلوب شود. از طرفی این راهکار ممکن است باکتری را مجبور کند تا از انواع دیگر مولکول‌های پیامبر (AI) برای سیستم Q.S استفاده نماید که برخی از آنها ممکن است واقعاً برای میزبان مضر باشند.

 

ب) کنترل تشکیل بیوفیلم

اغلب باکتری‌ها در طبیعت در ارتباط با سطوحی که روی آنها یافت می‌شوند اجتماعاتی را تشکیل می‌دهند. جوامع میکروبی یا بیوفیلم از باکتری‌هایی تشکیل شده‌اند که درون زمینه‌ای از جنس پلی‌ساکارید قرار دارند. باکتری‌ها به‌صورت تصادفی در این ماده زمینه‌ای توزیع نشده‌اند، بلکه به‌صورت ساختارهایی سازمان‌یافته می‌باشند. این شکل سازمان‌یافته به آنها این امکان را می‌دهد که مواد غذایی و مواد زائد را به‌راحتی به درون و خارج از بیوفیلم منتقل کنند. بیوفیلم‌ها در طبیعت ندرتاً از یک گونه باکتریایی خاص تشکیل یافته‌اند، بلکه در اجتماع بیوفیلم می‌تواند چندین گونه باکتری وجود داشته باشد؛ برای مثال بیوفیلم‌های دهان (پلاک دندانی) از صدها گونه باکتری تشکیل شده است. بیوفیلم از لحاظ بیماری‌زایی و کلینیکی یک مشکل مهم و اساسی می‌باشد، چرا که بیوفیلم باکتری‌ها مقاومت بالایی را به عوامل ضدمیکروبی و مکانیسم‌های دفاعی میزبان نشان می‌دهند، بنابراین دانستن مکانیسم‌هایی که تشکیل بیوفیلم را کنترل می‌کنند مهم است. ارتباط سلول- سلول، یکی از مکانیسم‌هایی است که برای توسعه و پایداری جوامع میکروبی و سازمان‌یابی بیوفیلم ارائه شده است، بنابراین تداخل در ارتباطات سلول- سلول در میکروارگانیسم‌ها به‌عنوان یک راهکار فرعی جهت جلوگیری از تشکیل بیوفیلم پیشنهاد ‌شده است.

 

تنظیم تولید آنتی‌بیوتیک‌های کارباپنمی (Carbapenem) توسط Quorum sensing  در Pectobacterium carotovorum

سویه ATCC 39048 carotovorum.subsp carotovorum Pectobacterium ابتدا سطوح قابل تشخیصی از آنتی‌بیوتیک گروهß–lactam  به نامCar  را طی عبور از مرحله لگاریتمی به مرحله ایستایی در کشت آزمایشگاهی تولید می‌کند. در این سویه بیوسنتز Car و عملکردهای مربوط به مقاومت خودکار، به کمک کلاستر ژنی CarABCDEFGH کد می‌شود (شکل ۱). آنزیـــم‌های کدشده توسط CarA ، CarB و CarC جهت تولید Car ضروری هستند. CarB نخستین مرحله در بیوسنتز Car را کاتالیز می‌کند که ساختن کربوکسی‌متیل‌پرولین ازا پیش‌ماده‌اش می‌باشد. به نظر می‌رسد پیش‌ماده مذکور از استات و گلوتامات مشتق شده باشد.

CarD و CarE در فراهم کردن این پیش‌ماده‌ها مرتبط هستند، با این وجود ژن‌های CarD و CarE ضروری نیستند و اختلال در هر دو ژن منجر به کاهش تولیدCar  می‌شود، اما منجر به عدم تولید آن نمی‌شود.

CarA، یک ß-lactam سنتتاز است که روی محصول واکنش کاتالیزشده توسط CarB به نام کربوکسی‌متیل‌پرولین عمل کرده و باعث بسته شدن حلقه ß -lactam می‌شود. در نهایت CarC تشکیل آنتی‌بیوتیک فعال Carbapenem را کاتالیز می‌کند، علاوه بر این، سویه ATCC 39048 دارای مکانیسم مقاومت به آنتی‌بیوتیک تولید شده است که توسط CarF و  CarG کد می‌شود تا با عملکرد آنتی‌بیوتیکی که خودش ساخته واکنش نشان بدهد. با این وجود تاکنون عملکرد محصول ژن CarH ناشناخته باقی مانده است.

 

 

شکل ۱. تنظیم تولید آنتی‌بیوتیک Carbapenem  در

carotovorum .subsp carotovorum Pectobacterium

carA-E آنزیم‌های بیوسنتز Car را کد می‌کنند و carF-G مکانیسم مقاومت به Car را کد می‌کنند. عملکرد محصول carH نامشخص است. ژن‌های carA-H توسط پروموتور وابستــــــه به Quorum sensing  بیان می‌شوند که پروموتور مذکور در بالادست carA قرار گرفته است. همچنین یک پروموتور دائمی ضعیف درون carD قرار دارد (Pint) که باعث بیان carEFGH می‌شود، بنابراین مکانیسم مقاومت Car را در غیاب محصول وابسته به Quorum sensing فعال می‌کنـــد. Quorum sensing  به یـــک مولکــول سیگنــــال قابــل انتشــــــــار N- (3-oxohexanoyl) -L-homoserine lactone (3-oxo-C6-HSL) نیاز دارد که به‌وسیله car I سنتاز تولید می‌شود. ۳-oxo-C6-HSL به تنظیم‌کننده  CarRمتصل شده و آن را فعال می‌کند که این تنظیم‌کننده بلافاصله در بالادست ژن carA کد می‌شود. Car R /3-oxo-C6-HSL به پروموتور carA متصل شده و رونویسی از carA-H را فعال می‌کند. تولید ‌Car همچنین توسط محصول ژن hor کنترل می‌شود. فاکتورهای محیطی متعددی از جمله حرارت، pH محیط کشت، منبع کربن و شرایط بی‌هوازی در بیان carA-H مؤثرند. پیکان‌های نوک‌تیز یا علامت‌های + بیانگر تأثیر مثبت هستند در حالیکه پیکان‌های بدون نوک بیانگر تأثیر منفی می‌باشند. علامت (؟) بیانگر تأثیر احتمالی است.

 

کلاستر ژنی Car در شکل ۱ نشان داده شده است. هشت ژن car به همراه یک پروموتور مربوط به Q.S تحت یک اپرون سازماندهی شده‌اند که این پروموتور bp 52 بالاتر از آغاز ترجمه carA قرار دارد، با این وجود یک پروموتور ضعیف غیروابسته به Q.S درون carA قرار دارد که باعث می‌شود سلول‌ها به‌طور مداوم carE-H را در غلظت‌های پایین سلول بیان کنند تا در برابر Car تولیدشده توسط باکتری‌های دیگر مقاومت کنند.

بیان ژن‌های مقاومت، وابسته به Q.S نمی‌باشد؛ به این دلیل که مکانیسم مقاومت به Car قبل از بیان ژن‌های بیوسنتزکننده آنتی‌بیوتیک صورت می‌پذیرد. کارهای پیشین نشان داده است که محصول یک ژن واحد مسئول تولید مولکول سیگنال Q.S می‌باشد. این ژن پروتئینی مشابه پروتئین شناخته‌شده LuxI در
Vibrio fischeri کد می‌کند که CarI نام دارد. CarI  سیگنال AHL را تولید می‌کند (شکل ۱). سیستم‌های Q.S مبتنی بر AHL  نیاز به یک تنظیم‌کننده رونویسی دارند که این تنظیم‌کننده جزء گروه پروتئین‌های LuxR  می‌باشد که سیگنال AHL  را شناسایی می‌کند و باعث ایجاد تغییر در تنظیمات نسخه‌برداری می‌شود. همولوگ LuxR که در کنترل تولیدCar  در Pectobacterium نقش دارد CarR نام دارد و توسط ژن carR کد می‌شود که بلافاصله در بالادست carA قرار می‌گیرد. ژن carR یک واحد نســـخه‌برداری مجزا از اپران carA-H می‌باشد. ژنcarI  در جای دیگری از ژنوم قرار گرفته و نزدیک ژن دیگری به نام expR قرار دارد که توسط دومین همولوگ LuxR  در باکتری‌های مولد پوسیدگی نرم کد می‌شود. در نهایت یک ژن دیگر در ژنوم این باکتری‌ها وجود دارد به نام VirR که توسط سومین همولوگ LuxR کد می‌شود. VirR یک تنظیم‌کننده مهم در فاکتورهای بیماری‌زایی می‌باشد. اختلال در carI  یا carR منجر به عدم تولید Car و عدم رونویسی از پروموتور وابسته به Q.S می‌شود. با این وجود غیرفعال کردن expR و virR در حضور یا عدم حضور ژن carI تأثیر آشکاری بر تولید Car  نمی‌گذارد؛ بنابراین به‌نظر می‌رسد که CarR تنها همولوگ LuxR در ATCC 39048 است که در ارتباط با تنظیم تولید Car  است. در موتان‌های carI می‌توان وابستگی تولید آنتی‌بیوتــیکCar  به ۳-oxo-C6-HSL را از طریق فراهم کردن carR  روی پلاسمید از بین برد، بنابراین CarR در صورتیکه غلظت آن بالا باشد توانایی فعال کردن پروموتور carR  را در روش مستقل از لیگاند دارد .

 

مدلی برای کنترل  sensing Quorum در تولید Car  در Pectobacterium

مدل Q.S مربوط به تنظیم تولید آنتی‌بیوتیک در Pectobacterium در شکل ۲ نشان داده شــــــــــده است. ۳-oxo-C6-HSL مستقیماً با پروتئین CarR واکنش می‌دهد و باعث افزایش میل ترکیبی DNA  آن به ناحیه بین‌ژنی carA-R  می‌شود. بدنبال اتصال ۳-oxo-C6-HSL/ CarR به پروموتور carA، رونویسی از carA-H  فعال شده و منجر به تولید Car  می‌گردد، بنابراین تحت شرایــط عادی تولید Car توسط CarR تا زمانی که غلظت ۳-oxo-C6-HSL به سطح بالایی نرسد فعال نمی‌شـــــــــــود که این افزایش غلظت ۳-oxo-C6-HSL طی عبور از مرحله لگاریتمی به مرحله ایستایی اتفاق می‌افــــــــــتد. زمانی که سطوح ۳-oxo-C6-HSL طی مرحله ایستایی کاهش می‌یابد فرض بر این است که ۳-oxo-C6-HSL شروع به جدا شدن از CarR می‌نماید، زیرا که بیش از این قادر نیست به پروموتور carA و carR متصل بماند و آنها را فعال کند بنابراین تولید Car متوقف می‌شود.

شکل ۲. مدل‌هایی برای کنترل مرتبط با sensing  Quorum در تولید (Car b و a)

در carotovorum . P سویه ATCC 39048 و (d و c) در Serratia spp  سویه ATCC 39006

در غلظت‌های پایین سلول carA – H  در Pectobacterium و Serratia بیان نمی‌شود (c و a). در Pectobacterium این امر به این دلیل است که رونویسی از carA – H  فعال نمی‌شوند (a)؛ اما در Serratia بازدارنده SmaR در غیاب سیگنال  sensing Quorum یک لایه کنترل دیگری را هم اضافه می‌نماید که باعث مهار رونویسی از carA-H  و carR  می‌شود (c). در غلظت‌های بالای سلول در Pectobacterium سیگنال ۳-oxo-C6-HSL بهcarR  متصل شده و آن را فعال می‌نماید که باعث آغاز رونویسی می‌شود و در نتیجه تولیدCar  را فعال می‌کند .(b) در Serrattia در غلظت‌های بالای سلولی سیگنال  sensing   Quorum AHL بازدارنده SmaR  را غیرفعال می‌کند، سپس پروتئین CarR در Serratia قادر به فعال کردن رونویسی carA – H  در مسیر غیروابسته به لیگاند می‌باشد  .(d)

 

تنظیم‌کننده Hor

سیستم Q.S در carotovorum P. تنها سیستم ژنتیکی مسئول در کنترل تولید Car نیست. محصول ژن hor از تنظیم‌کننده‌های رونویسی خانواده SlyA می‌باشد. این خانواده از پروتئین‌ها، طیف وسیعی از عملکردهای فیزیولوژیکی مانند مقاومت چند دارویی، تولید توکسین، تولید متابولیت‌های ثانویه و شدت بیماری‌زایی را، هم در پاتوژن‌های گیاهی و هم حیوانی کنترل می‌نمایند. در باکتری‌های مولد پوسیدگی نرم، Hor یک فعال‌کننده تولید (Car و PCDWE) می‌باشد. آنالیز نسخه‌برداری از carA در سویه‌های مختلف نشان داده است که Hor رونویسی از پروموتور carA را فعال می‌کند. با این وجود اتصال فیزیکی Hor به پروموتور carA هنوز ثابت نشده است. از آنجا که Hor تأثیری روی رونویسی از carR یا carI ندارد، به‌نظر می‌رسد که بیوسنتز Car را از طریق مکانیسم غیروابسته به Q.S تنظیم می‌کند. با این وجود، در فنوتیپ موتان‌های hor، Car و اگزوآنزیم‌ها می‌توانند به‌صورت جزئی از طریق فراهم نمودن ۳-oxo-C6-HSL اضافی و افزودن آن از بیرون جبران شوند که این نشان‌دهنده احتمال یک نوع تعامل بین Q.S و مسیرهای وابسته به Hor برای کنترل تولید Car می‌باشد.

 

مکانیسم Quorum sensing در کنترل تولید فاکتورهای مؤثر در شدت بیماری‌زایی

کنترل تولید Car از طریق غلظت سلول در Pectobacterium و Serratia با تصویر توضیح داده شد که در پاتوژن‌های مذکور تعدادی از پروتئین‌های خانواده LuxR نقش مهمی را در Q.S به‌عهده داشتند. در اکثر موارد، مشخص شده است که پروتئین‌های تیپ Lux-R جهت شناسایی سیگنال AHL تولیدشده توسط اعضای خانواده LuxI ضروری می‌باشند و مطابق آن بیان ژن‌ها تنظیم می‌شود. تنظیم تولید آنتی‌بیوتیک Carbapenem از طریق CarR  درPectobacterium  صورت می‌پذیرد، با این وجود ایجاد موتاسیون در ژن Car R carotovorum P. هیچگونه تأثیری بر تولید فاکتورهای بیماری‌زا در این سویه نداشت. ژن‌های نظیر luxIR در سویه Pcc71، expI و expR نام دارند. مطالعات اخیر نشان داده است که ExpR71 دارای یک نقش احتمالی در کنترل تولید فاکتورهای بیماری‌زایی است. ExpR71 در غیاب سیگنال AHL پروتئین RsmA (تنظیم‌کننده متابولیت‌های ثانویه) را تحریک می‌کند، در نتیجه به‌صورت منفی تولید فاکتورهای مؤثر در شدت بیماری‌زایی را تنظیم می‌کند. در مطالعه اخیر کویی و همکاران نشان داده شد که ExpR71 در آزمایشگاه در غیــاب AHL به پروموتـــــور rsmA متصل می‌شود و این اتصال با افزودن سیگنال AHL، ۳-oxo-C6-HSL، لغو می‌شود که این موضوع مرتبط می‌شود با مشاهداتی که در آن سطوح RsmA در موتان expI بالاتر از موتان دوتایی expI و expR است، درحالیکه تولید فاکتور بیماری‌زایی در موتان expR افزایش پیدا می‌کند، اما این افزایش تولید به سطح بیان ۳-oxo-C6-HSL در سلول‌های تیپ وحشی Pcc 71 نمی‌رسد. در سال ۲۰۰۵ ولچ و همکاران بر روی لیگاندهای متصل‌شونــــده به پروتئیـــن‌های LuxR  در ATCC 39048 Pcc. تحقیق کردند. آنها اتصالات را با استفاده از لیگاندهای مشتق‌شده از سیگنال فیزیولوژیکی Q.S 3-oxo-C6-HSL بررسی نمودند و نتایج آنها نشان داد که از میان لیگاندهای مختلفی که مورد آزمایش قرار گرفته، ۳-oxo-C6-HSL محکم‌ترین لیگاندی است که با CarR Pcc  برقرار می‌شود و در نتیجه به بیشترین القاء تولیدCarbapenem  می‌انجامد. با این وجود،۳-oxo-C6-HSL  محکم‌ترین لیگاندی نیست که به ExpR متصل می‌شود، اما این لیگاندی است که به‌شدت تولید PCWDE ها را القاء می‌کند (PCWDEها پروتئین‌های ترشحی هستند که در ارتباط با حمله به بافت گیاهی می‌باشند)، بنابراین ممکن است که بخش تحریک‌کننده تولید فاکتور بیماری‌زایی در واکنش با ۳-oxo-C6-HSL توسط عامل دیگری صورت پذیرد.

 

منابع:

Loh, J., Lohar, D. P., Andersen, B. and Stacey, G. (2002). A two-component regulator mediates population-density-dependent expression of the Bradyrhizobium japonicum nodulation genes. Journal of Bacteriology, 184: 1759–۱۷۶۶٫

Loh, J., Pierson, E. A., Pierson III, L. S., Stacey, G. and Chatterjee, A. (2002). Quorum sensing in plant-associated bacteria. Current Opinion in Microbiology, 5: 285–۲۹۰٫

Kirisits, M. J. and Parsek, M. R. (2006). Does Pseudomonas aeruginosa use intercellular signalling to build biofilm communities? Cell Microbiology, 8: 1841–۱۸۴۹٫

Welch, M., Dutton, J. M., Glansdorp, F. G., Thomas, G. L., Smith, D. S., Coulthurst, S. J., Barnard, A. M. L., Salmond, G. P. C. and Spring, D. R. (2005). Structure–activity relationships of Erwinia carotovora quorum sensing signalling molecules. Bioorganic and Medicinal Chemistry Letters, 15: 4235–۴۲۳۸٫

Welch, M., Todd, D. E., Whitehead, N. A., McGowan, S. J., Bycroft, B. W. and Salmond, G. P. C. (2000). N-acyl homoserine lactones binding to the CarR receptor determines quorum-sensing specificity in Erwinia. European Molecular Biology Organization Journal, 19: 631–۶۴۱٫

McGowan, S. J., Sebaihia, M., Porter, L. E., Stewart, G. S. A. B., Williams, P., Bycroft, B. W. and Salmond, G. P. C. (1996). Analysis of bacterial carbapenem antibiotic production genes reveals a novel β-lactam biosynthesis pathway. Molecular Microbiology, 22: 415–۴۲۶٫

McGowan, S. J. and Salmond, G. P. C. (1999). Regulation of carbapenem antibiotic and exoenzyme synthesis by chemical signalling. Cambridge University Press. Cambridge, UK: 161–۱۷۵٫

Burr, T., Barnard, A. M. L., Corbett, M. J., Pemberton, C. L., Simpson, N. J. L. and Salmond, G. P. C. (2006). Identification of the central quorum sensing regulatory of virulence in the enteric phytopathogen, Erwinia carotovora: the VirR repressor. Molecular Microbiology, 59: 113–۱۲۵٫

نقش Quorum sensing در باکتری‌ها (۲)

نقش Quorum sensing در باکتری‌ها (۱)

برای دانلود فایل pdf  بر روی لینک زیر کلیک کنید

برچسبها
  • Quorum sensing
  • بيوفيلم
  • تراریخته
  • لیلا دهاقین

دیدگاهتان را بنویسید

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