stringtranslate.com

N-ацил гомосерин лактон

Общая химическая структура N -ацил-гомосерин-лактона

N -Ацил-гомосерин-лактоны (сокращенно AHL или N-AHL) представляют собой класс сигнальных молекул , участвующих в распознавании бактериального кворума , средствах связи между бактериями, обеспечивающих поведение, основанное на плотности популяции.

Первый АГЛ (N-3-(оксо-гексаноил)-гомосерин лактон) был обнаружен как природный индуктор биолюминесценции у бактерии Vibrio fischeri . [1] Ощущение кворума с помощью АГЛ способствует регулированию транскрипции конкретных генов и, следовательно, экспрессии определенных фенотипов, включая рост, вирулентность , образование биопленок , биолюминесценцию, выработку экзополисахарида (ЭПС). [2] Более 50 видов грамотрицательных бактерий (включая несколько патогенных видов) используют АГЛ в качестве аутоиндукторов и средства их коммуникации при определении кворума. В одном исследовании было показано, что АГЛ взаимодействует с эукариотическими клетками, смягчает иммунный ответ и облегчает инфекцию. [3] АГЛ являются одной из основных групп молекул аутоиндукторов (АИ), которые обнаруживаются преимущественно у грамотрицательных протеобактерий, а также у некоторых бактериодетов, цианобактерий и архей. [4] Две другие основные группы представляют собой олигопептиды AI в грамположительных бактериях ; и аутоиндуктор-2 (АИ-2) как универсальный сигнал межвидовой коммуникации. [5]

Формирование

Он возникает в результате реакции ацильных белков-переносчиков с S-аденозилметионином. Последний является донором эквивалента 4- аминобутиролактона . Метилтиоаденозин является побочным продуктом . [6]

Гомосеринлактон также является продуктом протеолитической реакции бромциана (CNBr) с остатком метионина . Эта реакция важна для химического секвенирования белков.

Состав

АГЛ имеют гидрофобный и гидрофильный участки. Гидрофильная часть состоит из лактонного кольца гомосерина и амидной группы. Гидрофобный участок имеет штаммоспецифичную углеводородную цепь, различающуюся по длине и уровню оксигенации 3-оксогруппой. Длина ацильной цепи обычно составляет от 4 до 18 атомов углерода. Длина переменной боковой цепи R-группы . Длины цепей варьируются от 4 до 18 атомов углерода и при замещении карбонила у третьего углерода. [7] Гидрофильные участки образуют сеть водородных связей внутри сайта связывания рецептора, в то время как гидрофобные участки способствуют диффузионным и связывающим свойствам внутри гидрофобного кармана. [8] Исследования еще не продемонстрировали корреляцию между ферментами АГЛ-синтазы и типом АГЛ. Белок LuxI синтезирует ацилированную молекулу гомосерин-лактона. Ген LuxI высококонсервативен, что указывает на то, что, несмотря на разнообразие, существует ограниченное количество сигналов типа АГЛ, которые продуцируются бактериями. Однако в семействе ферментов AHL-синтазы С-концевая область, которая определяет тип субстратов, которые может распознавать синтетаза, и последующую длину ацильной цепи, не консервативна. Более того, на данный момент нет доказательств того, что распределение синтазы AHL и виды коррелируют. [9] В отличие от генов LuxI, рецепторы АГЛ, белок LuxR и их гены сильно различаются среди видов.

Сигнализация

Механизм

Передача сигналов бактериального кворума начинается с того, что N-AHL секретируются в окружающую среду.

В процессе ощущения кворума сначала белок LuxI синтезирует ацилированную молекулу гомосерин-лактона, которая может проходить через клеточную мембрану по градиенту за счет диффузии в окружающее пространство. Когда концентрация этих аутоиндукторов в окружающей среде ниже, чем внутри клетки, они сдвинутся вниз по градиенту и покинут клетку, следовательно, не прикрепятся к своему рецептору LuxR, находящемуся в цитоплазме. Когда популяция бактерий достигает порога, а концентрация аутоиндукторов в среде выше, чем внутри клетки, они перемещаются по градиенту внутрь клетки и прикрепляются к рецептору. Таким образом, будет сформирован комплекс ЛюксР-АГЛ. [10] Этот комплекс будет связываться с участком ДНК длиной 20 пар оснований (п.н.), называемым люкс- боксом. Эта область находится внутри или рядом с областью промотора lux , которая расположена примерно на 40 п.н. выше регулируемого гена. Поскольку LuxR связан с промотором, РНК-полимераза рекрутируется в эту область промотора и индуцируется экспрессия гена. [11] Более того, комплекс LuxR-AHL будет активировать транскрипцию белка LuxI, что увеличит выработку AHL (петля положительной обратной связи). Транскрипция целевых генов будет регулироваться, а экспрессия генов во всей популяции будет координироваться. [12] В нескольких исследованиях изучались потенциальные АГЛ, эффективные при инфекциях и устойчивости к антибиотикам. Система LuxR-LuxI, опосредованная АГЛ, является наиболее проверенной системой QS для видов бактерий с множественной лекарственной устойчивостью. [13]

Подавление кворума

В отличие от ощущения кворума, подавление кворума предотвращает бактериальную коммуникацию и влияет на экспрессию их генов. Мишенью тушения кворума являются сигнальные молекулы, биосинтетический аппарат сигнальных молекул и регуляторные белки, воспринимающие эти сигнальные молекулы, при этом основным механизмом является деградация АГЛ посредством ферментов, разрушающих АГЛ, и ограничение накопления сигнала. АГЛ разлагаются ферментами по трем механизмам: гидролиз лактона, гидролиз амидной связи и модификация ацильной цепи. Гидролиз лактона происходит, когда лактоназа AHL гидролизует лактоновые кольца гомосерина. Этот процесс впервые наблюдался у видов Bacillus . Ацилазы АГЛ катализируют полное и необратимое разрушение АГЛ за счет гидролиза амидных связей. Оксидаза и редуктаза АГЛ, впервые обнаруженные у Rhodococcus erythropolis, катализируют изменение химической структуры сигналов, что влияет на распознавание сигналов АГЛ и препятствует регулируемым процессам определения кворума. Вторая AHLаза представляет собой монооксигеназу Bacillus megaterium P450, которая окисляет жирные кислоты и N-жирные ациламинокислоты. Лактоназы и ацилазы являются пионерами механизмов тушения кворума. Лактоназы разрушают лактонные связи в аутоиндукторах, делая их неспособными связываться с целевыми регуляторами транскрипции и тем самым повышая устойчивость к болезням. [14]

Воздействие АГЛ на растения

Растения играют решающую роль в формировании нашего мира, и их взаимоотношения с микроорганизмами имеют большое значение. За долгую историю совместной эволюции растений и микробов растения эволюционировали, чтобы реагировать на симбиотические или патогенные микробы соответствующими способами с адаптированным профилем экспрессии генов, таким как сотрудничество с бактериальными сапротрофами, что приводит к эндофитной жизни или защитным реакциям против патогенов. АГЛ играют важную роль в симбиозе ризобий и бобовых, что приводит к образованию клубеньков. [15] Эксперименты показали, что применение АГЛ активирует ответственный за ауксин промотор GH3 (усиливает регуляцию генов, связанных с ауксином), и подавляет гены, связанные с цитокинином (изменение соотношения между ауксином и цитокинином может способствовать росту). [16] Кроме того, после применения AHL узелковость в корнях усилилась. [17] Более того, поток воды и минералов через растение был выше по мере увеличения открытия устьиц, и, следовательно, общая скорость транспирации изменилась. [18] Было показано, что помимо полезных взаимодействий бактерий и растений, опосредованных AHL, соединения AHL, передающие QS-сигналы, действуют как важный коммуникационный сигнал в трехсторонних симбиотических взаимодействиях бактерия-гриб-растение. Эндофитная бактерия с аутоиндукцией АГЛ и продуцирование различных АГЛ с длинной боковой цепью, по-видимому, помогает грибу симбиотически взаимодействовать с колонизированными растениями-хозяевами. Гриб Serendipita indica, выделенный из ризосферы растений, связан с устойчивостью к стрессу и стимулированием роста растений. Показано, что этот гриб содержит эндогрибковую бактерию Rhizobium radiobacter F4, обладающую генами АГЛ-аутоиндукции. Когда R. radiobacter F4 был инокулирован Arabidopsis или пшенице ( Triticum aestivum ), это вызывало аналогичную стимуляцию роста и урожайности, а также запуск защитных реакций и повышение экологической приспособленности. Интересно, что когда соединения АГЛ были истощены, колонизация корней, стимулирование роста и активность, вызывающая устойчивость, уменьшались. Эти результаты позволяют предположить, что всякий раз, когда гриб S. indica применяется для поддержания энергии роста различных растений, эндогрибковые R. radiobacter , продуцирующие АГЛ , колонизируют растение-хозяин и участвуют в координации взаимодействия микробов и растений. [19]

АГЛ и азотный цикл

Микробы являются ключевым игроком, отвечающим за судьбу азота в почве и воде. Опосредованное АГЛ ощущение кворума играет важную роль в азотном цикле. Все нитрифицирующие бактерии и некоторые денитрифицирующие бактерии используют АГЛ в качестве сигнальных молекул. [20] АГЛ влияют на эффективность и регулируют функции, участвующие в нитрификации и денитрификации. Некоторые виды бактерий, окисляющих аммиак, такие как Nitrosomonas europaea, Nitrosospira multiformis, Nitrosospira briensis , используют C6-C14-AHL. Нитритоокисляющие бактерии (НОБ), такие как Nitrobacter winogradskyi, Nitrobacter vulgaris и Nitrospira moscoviensis, также используют C8- или C10-AHL . Candidatus Jettenia caeni с режимом анаэробного окисления аммония (аннамокс) использует C6- и C8-AHL. Более того, Pseudomonas aeruginosa и Paracoccus denitrificans в качестве денитрифицирующих бактерий также используют C4-HSL и C16-AHL соответственно. У некоторых нитрифицирующих и денитрифицирующих бактерий, таких как Nitrobacter hamburgensis, АГЛ не были обнаружены, хотя предполагаемая синтетаза и рецепторные белки АГЛ были обнаружены. [9]

Смотрите также

дальнейшее чтение

Примечания

  1. ^ Йи, Ли; Донг, Сяо; Гренье, Даниэль; Ван, Кайчэн; Ван, Ян (апрель 2021 г.). «Прогресс исследования бактериальных рецепторов, чувствительных к кворуму: классификация, структура, функции и характеристики». Наука об общей окружающей среде . 763 : 143031. doi : 10.1016/j.scitotenv.2020.143031. ISSN  0048-9697. PMID  33129525. S2CID  226233459.
  2. ^ Папенфорт, Кай; Басслер, Бонни Л. (сентябрь 2016 г.). «Системы сигнала-реакции кворума у ​​грамотрицательных бактерий». Обзоры природы Микробиология . 14 (9): 576–588. doi : 10.1038/nrmicro.2016.89. ISSN  1740-1534. ПМК 5056591 . ПМИД  27510864. 
  3. ^ Цзян, Хуэй; Цзян, Дунлей; Шао, Цзиндун; Сунь, Сюлань (январь 2016 г.). «Электрохимический сенсор на основе магнитных молекулярно-отпечатанных полимерных наночастиц для измерения сигнальных молекул кворума грамотрицательных бактерий (N-ацил-гомосерин-лактонов)». Биосенсоры и биоэлектроника . 75 : 411–419. doi :10.1016/j.bios.2015.07.045. ISSN  0956-5663. ПМИД  26344904.
  4. ^ Чжан, Гуйшань; Чжан, Фань; Дин, Банда; Ли, Цзе; Го, Сяопэн; Чжу, Цзиньсин; Чжоу, Лигуан; Цай, Шичунь; Лю, Сяоли; Ло, Юаньмин; Чжан, Гуйфэн; Ши, Вэньюань; Донг, Сючжу (12 января 2012 г.). «Ощущение кворума на основе ацил-гомосерин-лактона у метаногенных архей». Журнал ISME . 6 (7): 1336–1344. дои : 10.1038/ismej.2011.203 . ISSN  1751-7362. ПМЦ 3379639 . PMID  22237544. S2CID  28314590. 
  5. ^ Хенсе, Буркхард А.; Шустер, Мартин (март 2015 г.). «Основные принципы бактериальных автоиндукторных систем». Обзоры микробиологии и молекулярной биологии . 79 (1): 153–169. дои : 10.1128/mmbr.00024-14. ISSN  1092-2172. ПМК 4402962 . ПМИД  25694124. 
  6. ^ Парвин, Нихат; Корнелл, Кеннет А. (2011). «Метилтиоаденозин/S-аденозилгомоцистеиннуклеозидаза, важнейший фермент бактериального метаболизма». Молекулярная микробиология . 79 (1): 7–20. дои : 10.1111/j.1365-2958.2010.07455.x. ПМК 3057356 . ПМИД  21166890. 
  7. ^ Кумари, А.; Пасини, П.; Део, СК; Фломенхофт, Д.; Шашидхар, С.; Даунерт, С. (2006). «Биосенсорные системы для обнаружения сигнальных молекул бактериального кворума». Аналитическая химия . 78 (22): 7603–7609. дои : 10.1021/ac061421n. ПМИД  17105149.
  8. ^ Чжан, Цян; Ли, Сиже; Хачича, Маха; Букраа, Мохамед; Сулер, Лоран; Эфрит, Мохамед Л.; Кено, Ив (24 августа 2021 г.). «Гетероциклическая химия, применяемая для создания аналогов N-ацил гомосерин лактона в качестве имитаторов сигналов, чувствительных к бактериальному кворуму». Молекулы . 26 (17): 5135. doi : 10,3390/molecules26175135 . ISSN  1420-3049. ПМЦ 8433848 . ПМИД  34500565. 
  9. ^ Аб Ван, На; Гао, Цзе; Лю, Ин; Ван, Цюин; Чжуан, Сюлян; Чжуан, Гоцян (01 июля 2021 г.). «Осознание роли опосредованного N-ацил-гомосерин-лактоном чувства кворума в нитрификации и денитрификации: обзор». Хемосфера . 274 : 129970. doi : 10.1016/j.chemSphere.2021.129970. ISSN  0045-6535. PMID  33979914. S2CID  233550593.
  10. ^ Машберн, Лорен М.; Уайтли, Марвин (сентябрь 2005 г.). «Мембранные везикулы сигнализируют о движении и облегчают групповую деятельность у прокариот». Природа . 437 (7057): 422–425. дои : 10.1038/nature03925. ISSN  0028-0836. PMID  16163359. S2CID  4427170.
  11. ^ Прескотт, Ребекка Д.; Дечо, Алан В. (01 июня 2020 г.). «Гибкость и адаптируемость чувства кворума в природе». Тенденции в микробиологии . 28 (6): 436–444. дои : 10.1016/j.tim.2019.12.004. ISSN  0966-842X. ПМЦ 7526683 . ПМИД  32001099. 
  12. ^ Ли, Юнг-Хуа; Тянь, Сяолинь (23 февраля 2012 г.). «Ощущение кворума и бактериальные социальные взаимодействия в биопленках». Датчики . 12 (3): 2519–2538. дои : 10.3390/s120302519 . ISSN  1424-8220. ПМК 3376616 . ПМИД  22736963. 
  13. ^ Асет, Омюр; Эрденмез, Демет; Асет, Бурку Онал; Одабаши, Мехмет (01 сентября 2021 г.). «Молекулы N-ацил-гомосерин-лактона помогают распознавать кворум: последствия воздействия и мониторинг разговоров бактерий в реальной жизни». Архив микробиологии . 203 (7): 3739–3749. дои : 10.1007/s00203-021-02381-9. ISSN  1432-072Х. PMID  34002253. S2CID  234769940.
  14. ^ Камат, Анушри; Шукла, Арпит; Патель, Дхара (январь 2023 г.). «Ощущение кворума и подавление кворума: две стороны одной медали». Физиологическая и молекулярная патология растений . 123 : 101927. дои : 10.1016/j.pmpp.2022.101927. ISSN  0885-5765. S2CID  253727152.
  15. ^ Калатрава-Моралес, Ньевес; Макинтош, Мэтью; Сото, Мария (18 мая 2018 г.). «Регуляция, опосредованная сигналами восприятия кворума N-ацил-гомосерин-лактона в симбиозе ризобий-бобовых». Гены . 9 (5): 263. doi : 10.3390/genes9050263 . ISSN  2073-4425. ПМК 5977203 . ПМИД  29783703. 
  16. ^ фон Рад, Ута; Кляйн, Илона; Добрев, Петр И.; Коттова, Яна; Зазималова Ева; Фекете, Агнес; Хартманн, Антон; Шмитт-Копплин, Филипп; Дюрнер, Йорг (3 сентября 2008 г.). «Реакция Arabidopsis thaliana на N-гексаноил-dl-гомосерин-лактон, молекулу, чувствительную к бактериальному кворуму, вырабатываемую в ризосфере». Планта . 229 (1): 73–85. дои : 10.1007/s00425-008-0811-4. ISSN  0032-0935. PMID  18766372. S2CID  18744248.
  17. ^ Велис-Валлехос, Дебора Ф.; ван Ноорден, Гил Э.; Юань, Мэнци; Матезиус, Ульрика (14 октября 2014 г.). «Специфический для Sinorhizobium meliloti сигнал, чувствительный к кворуму N-ацил-гомосерин-лактона, увеличивает количество клубеньков у Medicago truncatula независимо от ауторегуляции». Границы в науке о растениях . 5 : 551. doi : 10.3389/fpls.2014.00551 . ISSN  1664-462X. ПМК 4196514 . ПМИД  25352858. 
  18. ^ Палмер, Эндрю Г.; Сенешаль, Аманда К.; Мукерджи, Ариджит; Ане, Жан-Мишель; Блэквелл, Хелен Э. (18 июня 2014 г.). «Реакция растений на бактериальные N-ацил <scp>l</scp>-гомосерин-лактоны зависит от ферментативного разложения до <scp>l</scp>-гомосерина». АКС Химическая биология . 9 (8): 1834–1845. дои : 10.1021/cb500191a . ISSN  1554-8929. ПМК 4136694 . PMID  24918118. S2CID  28540584. 
  19. ^ Алабид, Ибрагим; Хардт, Мартин; Имани, Джафарголи; Хартманн, Антон; Ротбаллер, Майкл; Ли, Дэн; Уль, Дженни; Шмитт-Копплин, Филипп; Глезер, Стефани; Когель, Карл-Хайнц (2 августа 2020 г.). «Мутант Rhizobium radiobacter RrF4NM13, обедненный N-ацил-гомосерин-лактоном, демонстрирует сниженную активность, стимулирующую рост и индуцирующую устойчивость, у одно- и двудольных растений». Журнал болезней и защиты растений . 127 (6): 769–781. дои : 10.1007/s41348-020-00360-8 . ISSN  1861-3829. S2CID  225518441.
  20. ^ Маддела, Нага Раджу; Шэн, Бинбин; Юань, Шаша; Чжоу, Чжунбо; Вилламар-Торрес, Рональд; Мэн, Фанган (апрель 2019 г.). «Роль определения кворума в биологической очистке сточных вод: критический обзор». Хемосфера . 221 : 616–629. doi :10.1016/j.chemSphere.2019.01.064. PMID  30665091. S2CID  58629053.