stringtranslate.com

Филаментация

Клетка Bacillus cereus , подвергшаяся филаментации после антибактериальной обработки (верхняя электронная микрофотография; вверху справа) и клетки обычного размера необработанной B. cereus (нижняя электронная микрофотография)

Филаментация — это аномальный рост некоторых бактерий , таких как Escherichia coli , при котором клетки продолжают удлиняться, но не делятся (нет образования перегородок ). [1] [2] Клетки, которые возникают в результате удлинения без деления, имеют несколько хромосомных копий. [1]

При отсутствии антибиотиков или других стрессоров филаментация происходит с низкой частотой в бактериальных популяциях (4–8% коротких филаментов и 0–5% длинных филаментов в 1–8-часовых культурах). [3] Увеличенная длина клеток может защитить бактерии от простейших хищников и фагоцитоза нейтрофилов , затрудняя поглощение клеток. [1] [3] [4] [5] Также считается, что филаментация защищает бактерии от антибиотиков и связана с другими аспектами бактериальной вирулентности , такими как образование биопленки . [6] [7]

Количество и длина филаментов в популяции бактерий увеличивается, когда бактерии подвергаются воздействию различных физических, химических и биологических агентов (например, ультрафиолетового света , антибиотиков, ингибирующих синтез ДНК , бактериофагов ). [3] [8] Это называется условной филаментацией. [2] Некоторые из ключевых генов, участвующих в филаментации в E. coli, включают sulA , minCD и damX . [9] [10]

Формирование нитей

Филаментация, вызванная антибиотиками

Некоторые ингибиторы синтеза пептидогликана (например, цефуроксим , цефтазидим ) вызывают филаментацию, ингибируя пенициллинсвязывающие белки (PBP), ответственные за сшивание пептидогликана на септальной стенке (например, PBP3 в E. coli и P. aeruginosa ). Поскольку PBP, ответственные за синтез боковой стенки, относительно не подвержены влиянию цефуроксима и цефтазидима, удлинение клеток происходит без деления клеток, и наблюдается филаментация. [3] [11] [12]

Антибиотики, ингибирующие синтез ДНК и повреждающие ДНК (например , метронидазол , митомицин С , фторхинолоны , новобиоцин ), вызывают филаментацию через SOS-ответ . SOS-ответ ингибирует образование перегородок до тех пор, пока ДНК не будет восстановлена, что задерживает остановку передачи поврежденной ДНК потомству. Бактерии ингибируют септацию, синтезируя белок SulA, ингибитор FtsZ , который останавливает образование Z-кольца, тем самым останавливая набор и активацию PBP3. [3] [13] Если бактерии лишаются нуклеинового основания тимина путем обработки ингибиторами синтеза фолиевой кислоты (например, триметопримом ), это также нарушает синтез ДНК и вызывает филаментацию, опосредованную SOS. Прямое препятствие образованию Z-кольца SulA и другими ингибиторами FtsZ (например, берберином ) также вызывает филаментацию. [3] [14] [15]

Некоторые ингибиторы синтеза белка (например, канамицин ), ингибиторы синтеза РНК (например, бицикломицин ) и мембранные разрушители (например, даптомицин , полимиксин B ) также вызывают филаментацию, но эти филаменты намного короче филаментов, вызываемых вышеуказанными антибиотиками. [3]

Филаментация, вызванная стрессом

Филаментация часто является следствием экологического стресса. Она наблюдается в ответ на температурные шоки, [16] низкую доступность воды, [17] высокую осмолярность, [18] экстремальный pH, [19] и воздействие УФ-излучения. [20] УФ-излучение повреждает бактериальную ДНК и вызывает филаментацию через SOS-ответ . [3] [21] Голод также может вызывать бактериальную филаментацию. [9] Например, если бактерии лишены азотистого основания тимина, это нарушает синтез ДНК и вызывает SOS-опосредованную филаментацию. [3] [22]

Филаментация, вызванная питательными веществами

Несколько макронутриентов и биомолекул могут заставить бактериальные клетки образовывать нити, включая аминокислоты глутамин, пролин и аргинин, а также некоторые аминокислоты с разветвленной цепью. [23] Некоторые виды бактерий, такие как Paraburkholderia elongata , также образуют нити в результате тенденции накапливать фосфат в форме полифосфата, который может хелатировать металлические кофакторы, необходимые для белков деления. [2] Кроме того, образование нитей индуцируется богатыми питательными веществами условиями у внутриклеточного патогена Bordetella atropi . Это происходит через высококонсервативный путь UDP-глюкозы. Биосинтез и распознавание UDP-глюкозы подавляют деление бактериальных клеток, а последующее образование нитей позволяет B. atropi распространяться на соседние клетки. [24]

Филаментация, вызванная внутренним дисбиозом

Филаментация может быть вызвана и другими путями, влияющими на синтез тимидилата . Например, частичная потеря активности дигидрофолатредуктазы (DHFR) вызывает обратимую филаментацию. [25] DHFR играет важную роль в регуляции количества тетрагидрофолата , который необходим для синтеза пурина и тимидилата. Активность DHFR может быть подавлена ​​мутациями или высокими концентрациями антибиотика триметоприма (см. филаментацию, вызванную антибиотиками выше).

Переполнение периплазмы или оболочки также может вызывать филаментацию у грамотрицательных бактерий, нарушая нормальную функцию дивисомы. [26] [27]

Филаментация и биотические взаимодействия

Было описано несколько примеров филаментации, которые являются результатом биотических взаимодействий между бактериями и другими организмами или инфекционными агентами. Нитевидные клетки устойчивы к поглощению бактериофагами, а условия окружающей среды, возникающие во время хищничества, могут спровоцировать филаментацию. [28] Филаментация также может быть вызвана сигнальными факторами, вырабатываемыми другими бактериями. [29] Кроме того, филаментация Agrobacterium spp. вблизи корней растений, [30] и филаментация E. coli при воздействии растительных экстрактов. [31] Наконец, заражение бактериофагом может привести к филаментации посредством экспрессии белков, которые ингибируют сборку дивисомы. [8]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abc Jaimes-Lizcano YA, Hunn DD, Papadopoulos KD (апрель 2014 г.). «Нитевидные клетки Escherichia coli , плавающие в конических микрокапиллярах». Исследования в области микробиологии . 165 (3): 166–74. doi :10.1016/j.resmic.2014.01.007. PMID  24566556.
  2. ^ abc Karasz DC, Weaver AI, Buckley DH, Wilhelm RC (январь 2022 г.). «Условная филаментация как адаптивный признак бактерий и ее экологическое значение в почвах». Environmental Microbiology . 24 (1): 1–17. doi : 10.1111/1462-2920.15871 . OSTI  1863903. PMID  34929753. S2CID  245412965.
  3. ^ abcdefghi Cushnie TP, O'Driscoll NH, Lamb AJ (декабрь 2016 г.). «Морфологические и ультраструктурные изменения в бактериальных клетках как индикатор антибактериального механизма действия». Cellular and Molecular Life Sciences . 73 (23): 4471–4492. doi :10.1007/s00018-016-2302-2. hdl : 10059/2129 . PMID  27392605. S2CID  2065821.
  4. ^ Hahn MW, Höfle MG (май 1998). «Давление выпаса бактериоядного жгутиконосца меняет относительное обилие Comamonas acidovorans PX54 и штамма Vibrio CB5 в хемостатных сокультурах». Applied and Environmental Microbiology . 64 (5): 1910–8. Bibcode :1998ApEnM..64.1910H. doi :10.1128/AEM.64.5.1910-1918.1998. PMC 106250 . PMID  9572971. 
  5. ^ Hahn MW, Moore ER, Höfle MG (январь 1999). «Формирование бактериальных нитей, защитный механизм против жгутиконосцев, является скоростью роста, контролируемой у бактерий разных типов». Applied and Environmental Microbiology . 65 (1): 25–35. Bibcode :1999ApEnM..65...25H. doi :10.1128/AEM.65.1.25-35.1999. PMC 90978 . PMID  9872755. 
  6. ^ Джастис СС, Ханстад ДА, Цегельски Л, Халтгрен СДЖ (февраль 2008 г.). «Морфологическая пластичность как стратегия выживания бактерий». Nature Reviews. Микробиология . 6 (2): 162–8. doi :10.1038/nrmicro1820. PMID  18157153. S2CID  7247384.
  7. ^ Fuchs BB, Eby J, Nobile CJ, El Khoury JB, Mitchell AP, Mylonakis E (июнь 2010 г.). «Роль филаментации в уничтожении Galleria mellonella Candida albicans». Microbes and Infection . 12 (6): 488–96. doi :10.1016/j.micinf.2010.03.001. PMC 288367. PMID  20223293 . 
  8. ^ ab Ragunathan PT, Vanderpool CK (декабрь 2019 г.). «Cryptic-Prophage-Encoded Small Protein DicB Protects Escherichia coli from Phage Infection by Inhibiting Inner Membrane Receptor Proteins». Журнал бактериологии . 201 (23). doi : 10.1128/JB.00475-19. PMC 6832061. PMID  31527115 . 
  9. ^ ab Bi E, Lutkenhaus J (февраль 1993 г.). «Ингибиторы деления клеток SulA и MinCD предотвращают образование кольца FtsZ». Журнал бактериологии . 175 (4): 1118–1125. doi : 10.1128/jb.175.4.1118-1125.1993 . PMC 193028. PMID  8432706. 
  10. ^ Хандиге С., Асферг К.А., Расмуссен К.Дж., Ларсен М.Дж., Овергаард М., Андерсен Т.Э., Мёллер-Йенсен Дж. (август 2016 г.). Судья С., Хультгрен С.Дж. (ред.). «DamX контролирует обратимое переключение морфологии клеток в уропатогенной Escherichia coli». мБио . 7 (4). doi : 10.1128/mBio.00642-16. ПМЦ 4981707 . ПМИД  27486187. 
  11. ^ Spratt BG (август 1975 г.). «Отдельные связывающие пенициллин белки, участвующие в делении, удлинении и форме Escherichia coli K12». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 72 (8): 2999–3003. Bibcode : 1975PNAS...72.2999S. doi : 10.1073 /pnas.72.8.2999 . PMC 432906. PMID  1103132. 
  12. ^ Буш К, Брэдфорд, Пенсильвания (август 2016 г.). «β-Лактамы и ингибиторы β-лактамаз: обзор». Cold Spring Harbor Perspectives in Medicine . 6 (8): a025247. doi :10.1101/cshperspect.a025247. PMC 4968164. PMID 27329032  . 
  13. ^ Cordell SC, Robinson EJ, Lowe J (июнь 2003 г.). «Кристаллическая структура ингибитора деления клеток SOS SulA и в комплексе с FtsZ». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 100 (13): 7889–94. Bibcode : 2003PNAS..100.7889C. doi : 10.1073 /pnas.1330742100 . PMC 164683. PMID  12808143. 
  14. ^ Ray S, Dhaked HP, Panda D (октябрь 2014 г.). «Антимикробный пептид CRAMP (16-33) останавливает бактериальный цитокинез, ингибируя сборку FtsZ». Биохимия . 53 (41): 6426–9. doi :10.1021/bi501115p. PMID  25294259.
  15. ^ Sass P, Brötz-Oesterhelt H (октябрь 2013 г.). «Деление бактериальных клеток как цель для новых антибиотиков». Current Opinion in Microbiology . 16 (5): 522–530. doi :10.1016/j.mib.2013.07.006. PMID  23932516.
  16. ^ Gill CO, Badoni M, Jones TH (ноябрь 2007 г.). «Поведение культур логарифмической фазы восьми штаммов Escherichia coli, инкубированных при температурах 2, 6, 8 и 10 градусов по Цельсию». Международный журнал пищевой микробиологии . 119 (3): 200–206. doi :10.1016/j.ijfoodmicro.2007.07.043. PMID  17719669.
  17. ^ Mattick KL, Jørgensen F, Legan JD, Cole MB, Porter J, Lappin-Scott HM, Humphrey TJ (апрель 2000 г.). «Выживание и филаментация Salmonella enterica serovar enteritidis PT4 и Salmonella enterica serovar typhimurium DT104 при низкой активности воды». Applied and Environmental Microbiology . 66 (4): 1274–1279. Bibcode :2000ApEnM..66.1274M. doi :10.1128/AEM.66.4.1274-1279.2000. PMC 91980 . PMID  10742199. 
  18. ^ Chang WS, Halverson LJ (октябрь 2003 г.). «Снижение доступности воды влияет на динамику, развитие и ультраструктурные свойства биопленок Pseudomonas putida». Журнал бактериологии . 185 (20): 6199–6204. doi :10.1128/JB.185.20.6199-6204.2003. PMC 225025. PMID  14526033 . 
  19. ^ Jones TH, Vail KM, McMullen LM (июль 2013 г.). «Формирование нитей пищевыми бактериями при сублетальном стрессе». Международный журнал пищевой микробиологии . 165 (2): 97–110. doi :10.1016/j.ijfoodmicro.2013.05.001. PMID  23727653.
  20. ^ Modenutti B, Balseiro E, Corno G, Callieri C, Bertoni R, Caravati E (июль 2010 г.). «Ультрафиолетовое излучение вызывает филаментацию в бактериальных сообществах из североандийских патагонских озер». Photochemistry and Photobiology . 86 (4): 871–881. doi :10.1111/j.1751-1097.2010.00758.x. PMID  20528974. S2CID  45542973.
  21. ^ Walker JR, Pardee AB (январь 1968). «Доказательства связи между метаболизмом дезоксирибонуклеиновой кислоты и образованием перегородок у Escherichia coli». Journal of Bacteriology . 95 (1): 123–131. doi :10.1128/JB.95.1.123-131.1968. PMC 251980. PMID  4867214 . 
  22. ^ Окава Т. (декабрь 1975 г.). «Исследования внутриклеточных тимидиновых нуклеотидов. Смерть без тимина и восстановление после повторного добавления тимина в Escherichia coli K 12». Европейский журнал биохимии . 60 (1): 57–66. doi : 10.1111/j.1432-1033.1975.tb20975.x . PMID  1107038.
  23. ^ Jensen RH, Woolfolk CA (август 1985). «Формирование нитей Pseudomonas putida». Applied and Environmental Microbiology . 50 (2): 364–372. Bibcode :1985ApEnM..50..364J. doi : 10.1128/aem.50.2.364-372.1985. PMC 238629. PMID  16346856. 
  24. ^ Tran TD, Ali MA, Lee D, Félix MA, Luallen RJ (февраль 2022 г.). «Бактериальная филаментация как механизм распространения от клетки к клетке в организме животного». Nature Communications . 13 (1): 693. Bibcode :2022NatCo..13..693T. doi :10.1038/s41467-022-28297-6. ​​PMC 8816909 . PMID  35121734. 
  25. ^ Bhattacharyya S, Bershtein S, Adkar BV, Woodard J, Shakhnovich EI (июнь 2021 г.). «Метаболический ответ на точечные мутации раскрывает принципы модуляции активности ферментов in vivo и фенотипа». Molecular Systems Biology . 17 (6): e10200. arXiv : 2012.09658 . doi :10.15252/msb.202110200. PMC 8236904 . PMID  34180142. 
  26. ^ Лау С.Ю., Згурская Х.И. (ноябрь 2005 г.). «Дефекты деления клеток у Escherichia coli с дефицитом переносчика оттока нескольких лекарств AcrEF-TolC». Журнал бактериологии . 187 (22): 7815–7825. дои : 10.1128/JB.187.22.7815-7825.2005. ПМК 1280316 . ПМИД  16267305. 
  27. ^ Gode-Potratz CJ, Kustusch RJ, Breheny PJ, Weiss DS, McCarter LL (январь 2011 г.). «Поверхностное восприятие Vibrio parahaemolyticus запускает программу экспрессии генов, которая способствует колонизации и вирулентности». Молекулярная микробиология . 79 (1): 240–263. doi :10.1111/j.1365-2958.2010.07445.x. PMC 3075615. PMID  21166906 . 
  28. ^ Корно Г., Юргенс К. (январь 2006 г.). «Прямые и косвенные эффекты хищничества протистов на структуру размера популяции бактериального штамма с высокой фенотипической пластичностью». Прикладная и экологическая микробиология . 72 (1): 78–86. Bibcode :2006ApEnM..72...78C. doi :10.1128/AEM.72.1.78-86.2006. PMC 1352273 . PMID  16391028. 
  29. ^ Райан РП, Фухи И, Гарсия БФ, Уотт СА, Нихаус К, Янг Л и др. (апрель 2008 г.). «Межвидовая сигнализация через диффузный сигнальный фактор Stenotrophomonas maltophilia влияет на формирование биопленки и толерантность к полимиксину у Pseudomonas aeruginosa». Молекулярная микробиология . 68 (1): 75–86. doi : 10.1111/j.1365-2958.2008.06132.x . PMID  18312265. S2CID  26725907.
  30. ^ Finer KR, Larkin KM, Martin BJ, Finer JJ (февраль 2001 г.). «Близость Agrobacterium к живым растительным тканям вызывает преобразование в нитчатую бактериальную форму». Plant Cell Reports . 20 (3): 250–255. doi :10.1007/s002990100315. S2CID  24531530.
  31. ^ Мохамед-Салем Р., Родригес Фернандес С., Ньето-Пелегрин Э., Конде-Валентин Б., Румберо А., Мартинес-Килес Н. (2019). «Водный экстракт Hibiscus sabdariffa ингибирует индукцию пьедестала энтеропатогенной кишечной палочкой и способствует бактериальной филаментации in vitro». ПЛОС ОДИН . 14 (3): e0213580. Бибкод : 2019PLoSO..1413580M. дои : 10.1371/journal.pone.0213580 . ПМК 6407759 . ПМИД  30849110.