نقش Quorum sensing در باکتری‌ها (۲)

bacterial signaling proteins

 

نقش Quorum sensing در باکتری‌ها

(بخش دوم)

لیلا دهاقین

فوق‌لیسانس بیماری‌شناسی گیاهی – دانش‌آموخته دانشگاه تربیت مدرس

 

در بخش قبلی، در مورد مفاهیم و ساختار Quorum Sensing(Q.S)  در باکتری بحث گردید. در این مقاله در خصوص نقش Quorum Sensing در باکتری‌های گرم مثبت و تنظیم‌کننده‌های این پدیده در باکتری‌ها مطالبی ارائه می‌گردد.

 

Quorum sensing در باکتری‌های گرم مثبت

مشابه باکتری‌های گرم منفی، در باکتری‌های گرم مثبت نیز برخی از پروسه‌های سلولی از طریق یک روش وابسته به تراکم سلولی یا وابسته به مرحله رشدی تنظیم می‌شوند. موارد چنین روش تنظیم ژنی در باکتری‌های گــــرم مثبت شامل ایجاد Genetic competence در باکتــــــری Bacillus subtilis و Streptococcus pneumoniae، بیماری‌زایی در Staphylococcus aureus و تولید پپتیدهای ضدمیکروبی (Antimicrobial peptides, AMP) توسط تعدادی از گونه‌های باکتریایی گرم مثبت مثل باکتری‌های مولد اسید لاکتیک است.

روش تنظیم وابسته به تراکم سلولی در باکتری‌های گرم مثبت یک طرح کلی و مشترک دارد. با این وجود نه پروسه‌های تنظیمی وابسته به تراکم سلولی که در مقاله قبلی اشاره شد و نه هیچکدام از سایر پروسه‌های تنظیمی شناخته‌شده در باکتری‌های گرم مثبت دربرگیرنده مولکول‌های سیگنال شبیه N –آسیل هموسرین لاکتون وابسته به سیستم دوبخشی LuxI-LuxR می‌باشند. گاما- بوتیرولاکتون (همولوگ ساختاری AHL) تنها استثناء می‌تواند باشد که به‌عنوان یک مولکول تنظیمی کلیدی در تنظیم تولید آنتی‌بیوتیک و تمایزیابی در گونه‌های استرپتومایسس عمل می‌کند. طرح کلی تنظیم وابسته به تراکم سلولی در باکتری‌های گرم مثبت به‌صورت زیر است (شکل۱):

 

 

 

شکل ۱: بیان شماتیکی از مدلی برای ساختار مولکولی درگیر در Q.S که از طریق سیگنال‌های پپتیدی و سیستم‌های تنظیمی دوبخشی در باکتری‌های گرم مثبت کنترل می‌شود

 

مولکول سیگنال در اینجا یک پپتید پردازش‌شده بعد از ترجمه است که توسط یک کاست متصل‌شونده به ATP، به‌طور اختصاصی به خارج از سلول فرستاده می‌شود. این پپتید صادرشده توسط دومین ورودی یک مولکول حسگر تیپیک که خود بخشی از سیستم انتقال‌دهنده سیگنال دوبخشی است، تشخیص داده می‌شود. این سیستم‌های تنظیم‌کننده دوبخشی از یک حسگر و پروتئین تنظیم‌کننده پاسخ تشکیل شده‌اند. پروتئین تنظیم‌کننده پاسخ از فسفوریلاسیون به‌عنوان وسیله‌ای جهت انتقال اطلاعات استفاده می‌کند و به این ترتیب یک مکانیسم مهم جهت انتقال اطلاعات در باکتری‌ها محسوب می‌شود و یک نقش کلیدی در ایجاد تغییرات فیزیولوژیکی در سلول به دنبال تغییرات محیطی دارد. یک ویژگی مشترک دیگر در بسیاری از سیستم‌های Q.S مذکور این است که ژن‌های کدکننده پیش‌ساز پپتید و نیز ژن‌هایی که پروتئین‌های دخیل در سیستم تنظیمی دوبخشی را کد می‌کنند و آنهایی که در تغییرات پس‌ترجمه‌ای پیش‌ساز و صادر کردن آن به خارج از سلول نقش دارند همه در سطح رونویسی به هم متصلند و پروسه سنتز پپتید، یک پروسه خودتنظیمی است.

در اینجا سازمان‌دهی ژنتیکی و نیز فاکتورهای دخیل در بروز genetic competence در باکتری B.subtilis به‌عنوان نمونه‌ای از فنوتیپ‌های کنترل‌شونده به‌واسطه Q.S در باکتری‌های گرم مثبت مطرح می‌شود (شکل ۲).

 

 

شکل ۲: بیان شماتیکی سازمان‌دهی ژنتیکی لوکوس comQXPA در باکتری  B. subtilis

ژن کدکننده پپتید پیش‌ساز با رنگ سیاه و اسیدآمینه تریپتوفان که در توالی پپتید پیش‌ساز تغییر میکند با ستاره مشخص شده است. P: Promoter

 

صفت genetic competence طبیعی، توانایی سلول‌های باکتری برای جذب DNA خارجی است. در یک محیط کشت B. subtilis که تحت شرایط مناسب رشد یافته و به تراکم بالای سلولی رسیده‌اند، بخشی از سلول‌ها تمایز پیدا کرده و Competent می‌شوند. این سلول‌های Competent از نظر متابولیکی فعالیت کمتری داشته و تعدادی پروتئین تولید می‌کنند که می‌توانند به قطعات DNA، مستقل از توالی نوکلئوتیدی آنها متصل شده و آنها را جذب کنند. تولید این سیستم جذب‌کننده DNA، وابسته به حضور فاکتور رونویسی Competence به نام ComK است. تولید ComK تحت کنترل خودتنظیمی قرار دارد. فعالیت تشدیدکننده رونویسی که توسط ComK اعمال می‌شود در طول مرحله رشد لگاریتمی با واکنش مستقیم MPca و MecB با ComK مهار می‌شود. این مهار می‌تواند به‌وسیله پروتئین کوچک ComS برداشته شود. سنتز پروتئین ComS در پاسخ به تجمع یک پپتید تغییریافته در محیط کشت سویه‌های B. sutilis صورت می‌گیرد، زمانی که تراکم سلولی آنها بالا می‌رود. پیش‌ساز این پپتید به‌وسیله ژن comX کد می‌شود. تغییرات پس‌ترجمه‌ای پپتید روی تنها اسیدآمینه تریپتوفان موجود در پپتید اعمال می‌شود. این کار احتمالاً توسط محصول ژن comQ انجام می‌گردد. پاسخ سلول باکتری به پپتید مشتق‌شده از comX (یعنی سنتز ComS) به‌وسیله یک پروتئین حسگر به نام ComP و یک تنظیم‌کننده پاسخ به نام ComA که به ترتیب محصولات ژن‌های comP و comA هستند، میانجیگری می‌شود.

ComP به‌عنوان یک حسگر برای پپتید مشتق‌شده از comX عمل کرده و رونویسی از comS را از طریق انتقال سیگنال به ComA فعال می‌کند و نهایتاً از طریق ComK باعث ایجاد genetic competence می‌گردد.

 

 

آرایش مسیرهای Quorum Sensing چندگانه

برخی از باکتری‌ها دارای چندین مسیر Q.S هستند. با وجود اینکه سیگنال‌های Q.S چندگانه و مسیرهای پاسخ آنها به‌خوبی شناخته‌شده‌اند، اما عملکردی که به شکل هماهنگ‌شده در باکتری‌های مختلف تنظیم می‌کنند هنوز کاملاً مشخص نشده است. مدل مهمی که در حال توسعه است پیشنهاد می‌کند که مسیرهای Q.S مختلف در یک باکتری لزوماً غیروابسته و کاملاً مجزا از هم نیستند، بلکه می‌توانند با هم در ارتباط باشند تا باکتری در زمان رویارویی با سیگنال‌ها و محیط‌های مختلف بتواند بهترین پاسخ را بدهد.

مســـــیرهای Q.S چنـــــــــدگانه در باکتــــــــری‌های مختلف می‌توانند آرایش‌های متفاوتی داشته باشند؛ برای مثال مســیرهای پاسخ به ســـه سیگنال AI شــــامل HAI-1 (harveyi autoinducer 1)، CAI-1 (cholera autoinducer 1) و (AI-2) در V. harveyi به‌صورت موازی آرایش یافته‌اند (شکل ۳)، به‌طوری که هر مسیر می‌تواند مستقلاً به‌وسیله سیگنال متفاوتی فعال شود. در عین حال هر سه آنها در تأمین سیگنال‌ها برای مسیر مشترک و فنوتیپ‌های مشترک (مثل بیولومینسانس) همسو می‌شوند. در V. harveyi، پروتئین LuxO واسطه‌ای‌ است که از طریق آن هر سه سیستم Q.S اثر خود را اعمال می‌کنند. از آنجا که این نوع آرایش باعث می‌شود تا سلول‌ها پاسخ‌هایشان را نسبت به سیگنال‌های مختلف هماهنگ کنند، برای سلول باکتری مفید است. علاوه بر این وجود چندین مسیر Q.S موازی و نیاز به حضور چندین سیگنال می‌تواند پاسخ‌های Q.S را به‌شدت تنظیم کند، به‌طوری که فعال شدن غیراختصاصی پاسخ‌های سلولی به حداقل برسد.

برخلاف V. harveyi، در باکتری Pseudomonas aeruginosa مسیرهای Q.S Rhl و Las جداگانه آرایش یافته‌اند، بطوریکه هر سیستم Q.S بیان سری‌های متفاوتی از ژن‌ها را تنظیم می‌کند. در تراکم سلولی بالا ابتدا سیستم Las تحریک شده و باعث سنتز مولکول سیگنال ۳-oxo-C12-HSL می‌شود. این سیگنال به گیرنده خود (LasR) متصل شده و آن را فعال می‌کند.

LasR فعال‌شده نیز بیان برخی ژن‌ها از جمله LasI را از طریق بازخورد مثبت افزایش می‌دهد. ژن‌های هدف LasR عبارتند از آنزیم AI سنتاز (RhlI) و تنظیم‌کننده مربوط به سیستم (Q.S Rhl RhlR) که فعال شدن LasR منجر به سنتز یک سیگنال AI متفاوت و فعال شدن سیستم Q.S دوم می‌گردد. از آنجا که سیستم Las قبل از فعال شدن سیستم Rhl فعال می‌شود به نظر می‌رسد که سیستم‌های Q.S در P. aeruginosa به شکل سری آرایش یافته‌اند.

البته باید اضافه کرد که همه سیستم‌های Q.S چندگانه به‌صورت پیوسته عمل نمی‌کنند. نشان داده شده است که برخی از سیستم‌های Q.S با هم مقابله می‌کنند؛ برای مثال در باکتری Bacillus subtilis  یک سیگنال پپتید (ComX) شروع genetic competence را تنظیم می‌کند در حالیکه سیگنال دوم (CSF) با سیگنال‌دهی ComX تداخل کرده و اسپورسازی را تحریک می‌کند.

 

 

 شکل ۳: چندین مسیرQuorum sensing  در V. harveyi به شکل موازی و دو مســیر مهم در P. aeruginosa به شکل سری آرایش یافته‌اند (توضیح بیشتر در متن)

 

تنظیم‌کننده‌های منفی Quorum Sensing

چند نوع تنظیم‌کننده منفی Q.S وجود دارند که عبارتند از:

  • پروتئین‌های غیرفعال کننده
  • همولوگ‌های تنظیم‌کننده‌های رونویسی
  • آنزیم‌های تجزیه‌کننده AHL
  • تنظیم منفی وابسته به mRNA

در اینجا به دو مورد از آنها اشاره می‌شود:

۱- پروتئین‌های غیرفعال کننده: در باکتری tumefaciens، فعالیت پروتئین تنظیم‌کننده Q.S به نام TraR به‌وسیله چندین پروتئین غیرفعال کننده Q.S، آنتاگونیزه می‌شود. پروتئین TraM یکی از این نوع پروتئین‌هاست که توسط پلاسمید Ti در A. tumefaciens کد می‌گردد. فعالیت مهاری TraM روی TraR بی‌شک برای عملکرد طبیعی سیستم Q.S در باکتری مذکور موردنیاز است. سیستم Q.S Tra، انتقال پلاسمید از طریق کانجوگاسیون و ژن‌های تکثیری را در A. tumefaciens تنظیم می‌کند. یک موتانت TraM به میزان زیادی دچار کونجوگاسیون می‌شود و باعث انتقال پلاسمیدهای Ti با کارایی بالا به سلول‌های دریافت‌کننده، حتی در تراکم پایین سلول‌های باکتریایی می‌گردد، بنابراین نقش اصلی TraM تنظیم فعالیت کمپلکس AHL-TraR است، به‌صورتی که این کمپلکس تنها به‌شرط رسیدن به یک حد خاص به شکل کارآمد عمل کند.

 

۲- آنزیم‌های تجزیه‌کننده AHL یا خاموش‌کننده‌های Quorum Quenchers/Q.S

آنزیم attM حلقه لاکتون را در ۳-oxo-C8-HSL (همولوگ AHL که توسط باکتری A. tumefaciens در سیستم Q.S Tra تولید می‌شود) هیدرولیز می‌کند. بیان attM به‌وسیله یک پروتئین بازدارنده که توسط ژن attj کد می‌شود در مرحله رشد لگاریتمی مهار می‌گردد و به این ترتیب اجازه تجمع AHLها و کونجوگاسیون کارآمد را در مرحله رشد لگاریتمی به باکتری می‌دهد. در بدو ورود به مرحله ایستایی، AHL به‌سرعت تجزیه می‌شود که این امر در هماهنگی با بیان زیاد attM در مرحله رشد ایستایی همراه است.

در باکتری‌های گرم منفی آنزیم‌های مختلفی مشخص شده‌اند که تجزیه‌کننده AHL می‌باشند و برای کنترل فنوتیپ‌های باکتریایی تنظیم‌شونده به‌واسطه Q.S مورد استفاده قرار می‌گیرند. البته برخی از باکتری‌هایی که AHL تولید نمی‌کنند نیز آنزیم‌های تجزیه‌کننده AHL را می‌سازند تا از این مولکول‌ها به‌عنوان منبع کربن و نیتروژن استفاده کنند. تجزیه و غیرفعال شدن AHLها همچنین باعث خالی شدن سریع سیگنال‌های Q.S شده و بنابراین تضمین‌کننده این مسأله است که غلظت AHLها در محیط، نشانگر صحیح تراکم جمعیت باکتریایی است.

 

اختصاصیت سیگنال‌های AI

یک ویژگی مهم سیگنال‌دهی به‌واسطه AIها در Q.S، درجه بالای اختصاصیت سیگنال AI به گیرنده مربوطه‌اش (پروتئین شبه LuxR) می‌باشد، از این رو ترکیب و ساختار سیگنال‌ها در حفظ ویژگی سیگنال‌دهی مهم است. مطالعات ساختاری نشان می‌دهد که ایجاد تغییر در طول ساختار و جایگزینی‌ها در گروه‌های زنجیره جانبی آسیل AI می‌تواند به اتصال مابین AIها و پروتئین‌های شبه LuxR آسیب بزند. اختصاصیت آنزیم سیگنال سنتتاز به بخش زنجیره جانبی AI تضمین می‌کند که تنها انواع ویژه‌ای از سیگنال‌ها در گونه‌های مختلف سنتز شوند. برای مثال همولوگ‌های LuxI شامل EsaI و LasI از دو گونه مختلف باکتریایی به ترتیب ۳-oxo-C6-HSL و ۳-oxo-C12-HSL را سنتز می‌کنند و این اختصاصیت وابسته به واحدهای آمینواسیدی خاص در جایگاه اتصالی آنزیم است که محل اتصال زنجیره جانبی است. اگر نوع اسیدهای آمینه در جایگاه مذکور تغییر کنند، آنزیم سیگنال سنتاز یک مولکول acyl-HSL دیگر با طول متفاوت زنجیره جانبی سنتز خواهد کرد.

این مطلب نشان می‌دهد که دامنه سیگنال‌های تولیدی در هرگونه باکتریایی به‌شدت تنظیم می‌گردد. روش تنظیمی مشابهی برای اختصاصیت سیگنال‌های پپتیدی در مورد باکتری‌های گرم مثبت بکار گرفته می‌شود. اکثریت سیگنال‌های مذکور یک پپتید مرکزی دارند که توالی آن حفاظت‌شده نیست و می‌تواند توسط باکتری‌های گرم مثبت مختلف به اشکال متفاوت تغییر داده شود. اختصاصیت در مرحله تشخیص سیگنال هم مشابه باکتری‌های گرم منفی اعمال می‌شود؛ به این ترتیب که هر سیگنال به حسگر کیناز خاص خود که در سطح سلول قرار گرفته است متصل می‌گردد.

علی‌رغم وجود محدودیت‌های ساختاری و محدودیت‌های مربوط به مکانیزم‌های تنظیمی که به‌منظور ایجاد اختصاصیت در Q.S اعمال می‌شوند، سیگنال‌دهی غیراختصاصی در هر دو باکتری‌های گرم منفی و گرم مثبت مشاهده شده است.

ارتباطات وابسته به سیگنال غیراختصاصی شامل تشخیص سیگنال تولیدشده توسط باکتری متفاوت و یا ایجاد تداخل در پردازش سیگــــنال از طریق رقابت اســت. یک مثال برای مورد اول در باکتری‌های Pseudomonas aeruginosa و Burkoholderia cepacia مطرح است؛ به این ترتیب که هموسرین لاکتون‌های تولیدشده توسط P. aeruginosa در غلظت‌های پایین توسط B. cepacia تشخیص داده می‌شود و باعث فعال شدن سیستم Q.S آن می‌شود، اگرچه P. aeruginosa توانایــــــــی استفاده از acyl-HSL‌های تولیدشده توسط B. cepacia را جهت فعال کردن سیستم Q.S خود ندارد. نبود اختصاصیت در سیگنال‌دهی همچنین در باکتری گرم مثبت Staphylococcus aureus مشاهده شده است. این مشاهدات نشان می‌دهند که تداخل بر پایه Q.S می‌تواند توسط یک پاتوژن برای ایجاد niche ویژه برای خود در طول آلودگی بکار گرفته شود؛ یعنی فقط یک استرین که سیگنال پپتید خاصی را تولید می‌کند می‌تواند رقابت کرده و در آن محیط خاص بقاء پیدا کند. باید اضافه کرد که تمامی مکالمات به‌واسطه سیگنال مابین گونه‌ها غیراختصاصی نیستند چرا که بسیاری از گونه‌های باکتریایی همچنین سیگنال‌هایی تولید می‌کنند که به شکل اختصاصی برای سیگنال‌دهی با سایر گونه‌های باکتریایی مورد استفاده قرار می‌گیرند. از آنجا که باکتری‌ها اغلب در اجتماعات چندگونه‌ای زندگی می‌کنند، بنابراین ارتباط و هماهنگی (مثل هماهنگی متابولیکی) بین گونه‌های مختلف برای ایجاد و تداوم بقاء یک جمعیت میکروبی ضروری می‌باشد. تاکنون تنها یک سیگنال شناسایی شده است که به‌عنوان یک سیگنال مکالمه بین‌سلولی مابین گونه‌ها عمل می‌کند. این سیگنال AI-2 نام دارد و توسط ژن luxS کد می‌شود. ژن مذکور در بیش از ۵۵ گونه باکتریایی (شامل باکتری‌های گرم مثبت و گرم منفی) شناسایی شده است.

 

منابع:

Parkinson, J. S., and Kofoid, E. C. (1992). Communication modules in bacterial signaling proteins. Annual Review of Genetics, 26: 71-112.

Grossman, D. A. (1995). Genetic network controlling the initiation of sporulation and the development of genetic competence in Bacillus subtilis. Annual Review of Genetics, 29: 477-508.

Gera C, Srivastava s. quorum – sensing: the phenomenon of microbial communication. Current Science. 2006;90(5):666-76.

Fuqua, C., Parsek, M. R. and Greenberg, E. P. (2001). Regulation of gene expression by cell-to-cell communication: acyl-homoserine lactone quorum sensing. Annual Review of Genetics, 35: 439–۴۶۸٫

Visick, K. L. and McFall-Ngai, M. J. (2000). An exclusive contract: specificity in the Vibrio fischeri–Euprymna scolopes partnership. Journal of Bacteriology, 182: 1779–۱۷۸۷٫

Finney, A. H., Blick, R. J., Murakami, M., Ishihama, A. and Stevens, A. M. (2002). Role of the C-terminal domain of the alpha subunit of RNA polymerase in LuxR dependent transcriptional activation of the lux operon during quorum sensing. Journal of Bacteriology, 184: 4520–۴۵۲۸٫

Shadel, G. S. and Baldwin, T. O. (1992). Identification of a distantly located regulatory element in the luxCD gene required for negative autoregulation of the Vibrio fischeri luxR gene. Journal of Biological Chemistry, 267: 7690–۷۶۹۵٫

Bassler, B. L. (2002). Small talk: cell-to-cell communication in bacteria. Cell 109: 421–۲۴٫

Abraham, W. R. (2006). Controlling biofilms of gram-positive pathogenic bacteria. Current Medicinal Chemistry, 13: 1509–۱۵۲۴٫

Andersson, R. A., Koiv, V., Norman-Setterblad, C. and Pirhonen, M. (1999). Role of RpoS in virulence and stress tolerance of the plant pathogen Erwinia carotovora subsp. carotovora. Microbiology, 145: 3547–۳۵۵۶٫

Bainton, N. J. (1992b). A general role for the lux autoinducer in bacterial cell signalling: control of antibiotic synthesis in Erwinia. Gene, 116: 87–۹۱٫

Bainton, N. J., Stead, P., Chhabra, S. R., Bycroft, B. W., Salmond, G. P. C., Stewart, G. S. A. B. and Williams, P. (1992a). N-(3-oxohexanoyl)-L-homoserine lactone regulates carbapenem antibiotic production in Erwinia carotovora. Biochemical Journal, 288: 997–۱۰۰۴٫

Coulthurst, S. J., Lilley, K. S. and Salmond, G. P. C. (2006). Genetic and proteomic analysis of the role of luxS in the enteric phytopathogen, Erwinia carotovora. Molecular Plant Pathology, 7: 31–۴۵٫

Day, W. A. and Maurelli, A. T. (2001). Shigella flexneri LuxS quorum sensing system modulates virB expression but is not essential for virulence. Infection and Immunity, 69: 15–۲۳٫

De Keersmaecker, S. C., Sonck, K. and Vanderleyden, J. (2006). Let LuxS speak up in AI-2 signaling. Trends in Microbiology, 14: 114–۱۱۹٫

 Zhao J, Quan C, Jin L, Chen M. Production, detection and application perspectives of quorum sensing autoinducer-2 in bacteria. J Biotechnol. 2018 20;268:53-60.

Defoirdt T. Quorum-Sensing Systems as Targets for Antivirulence Therapy. Trends Microbiol. 2017 . pii: S0966-842X(17)30232-9.

Banerjee G, Ray AK. The talking language in some major Gram-negative bacteria.Arch Microbiol. 2016;198(6):489-99.

نقش Quorum sensing در باکتری‌ها (۱)

نقش Quorum sensing در باکتری‌ها (۲)

نقش Quorum sensing در باکتری‌ها (قسمت اول)

برای دانلود فایل pdf  بر روی لینک زیر کلیک کنید

برچسبها
  • Quorum sensing
  • گرم مثبت
  • گرم منفي
  • لیلا دهاقین

دیدگاهتان را بنویسید

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