N -ацил гомосерин лактон

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 определенных генов и, следовательно, экспрессии определенных фенотипов, включая рост, вирулентность , образование биопленок , биолюминесценцию, продукцию 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
[ редактировать ]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.
Структура
[ редактировать ]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, тогда как гидрофобные сайты способствуют диффузионным и связывающим свойствам внутри гидрофобного кармана. [ 8 ] Исследования еще не продемонстрировали корреляцию между ферментами синтазы АГЛ 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 у разных видов.
Сигнализация
[ редактировать ]Механизм
[ редактировать ]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 у видов бактерий с множественной лекарственной устойчивостью. [ 13 ]
Подавление кворума
[ редактировать ]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 Монооксигеназа Bacillus megaterium P450, окисляющая 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
[ редактировать ]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 промотор GH3, ответственный за ауксин (активирует гены, связанные с ауксином), и подавляет гены, связанные с цитокинином (изменение соотношения между ауксином и цитокинином может способствовать росту). [ 16 ] Кроме того, после применения АГЛ увеличилась узелковость корней. [ 17 ] Более того, поток воды и минералов через растение был выше по мере увеличения открытия устьиц, и, следовательно, изменялась общая скорость транспирации. [ 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 данные позволяют предположить, что всякий раз, когда грибок S. indica применяется для поддержания силы роста различных растений, эндогрибковые R. radiobacter, продуцирующие АГЛ , колонизируют растение-хозяин и участвуют в координации взаимодействия микробов и растений. [ 19 ]
АГЛ и азотный цикл
[ редактировать ]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. Кроме 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 ]
См. также
[ редактировать ]Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Эберхард, А.; Берлингейм, Алабама; Эберхард, К.; Кеньон, GL; Нилсон, К.Х.; Оппенгеймер, Нью-Джерси (1981). «Структурная идентификация аутоиндуктора люциферазы Photobacterium fischeri». Биохимия . 20 (9): 2444–2449. дои : 10.1021/bi00512a013 . ПМИД 7236614 . (открытие лактона гомосерина)
- Чжан К., Ли С., Хачича М., Букраа М., Сулер Л., Эфрит М.Л., Кено Ю. Гетероциклическая химия, применяемая для создания аналогов N -ацил-гомосерин-лактона в качестве имитаторов сигналов восприятия бактериального кворума. Молекулы . 2021 год; 26(17):5135. https://doi.org/10.3390/molecules26175135
Примечания
[ редактировать ]- ^ 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 . ПМИД 33129525 . S2CID 226233459 .
- ^ Папенфорт, Кай; Басслер, Бонни Л. (сентябрь 2016 г.). «Системы сигнала-реакции кворума у грамотрицательных бактерий» . Обзоры природы Микробиология . 14 (9): 576–588. дои : 10.1038/nrmicro.2016.89 . ISSN 1740-1534 . ПМК 5056591 . ПМИД 27510864 .
- ^ Цзян, Хуэй; Цзян, Дунлей; Шао, Цзиндун; Сунь, Сюлань (январь 2016 г.). «Электрохимический сенсор на основе магнитных молекулярно-импринтированных полимерных наночастиц для измерения сигнальных молекул кворума грамотрицательных бактерий (N-ацил-гомосерин-лактонов)» . Биосенсоры и биоэлектроника . 75 : 411–419. дои : 10.1016/j.bios.2015.07.045 . ISSN 0956-5663 . ПМИД 26344904 .
- ^ Чжан, Гуйшань; Ли, Цзе; Чжу, Цзиньсин; Цай, Шичунь; Ло, Юаньмин; г.). «Ощущение кворума на основе ацил-гомосерин-лактона у метаногенных архей» . Сючжу (12 января 2012 .6 22237544. (7): 1336–1344 10.1038 / ismej.2011.203 . ISSN 1751-7362 . PMC 3379639. . PMID doi : S2CID 28314590 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ Перейти обратно: а б 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 . ПМИД 33979914 . S2CID 233550593 .
- ^ 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 . ПМИД 16163359 . S2CID 4427170 .
- ^ 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 .
- ^ Ли, Юн-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 .
- ^ 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 1432-072X . ПМИД 34002253 . S2CID 234769940 .
- ^ 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. doi : 10.1016/j.pmpp.2022.101927 . ISSN 0885-5765 . S2CID 253727152 .
- ^ 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 .
- ^ 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 . ПМИД 18766372 . S2CID 18744248 .
- ^ 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 .
- ^ 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 . ПМИД 24918118 . S2CID 28540584 .
- ^ 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 .
- ^ Маддела, Нага Раджу; Шэн, Бинбин; Юань, Шаша; Чжоу, Чжунбо; Вильямар-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 . ПМИД 30665091 . S2CID 58629053 .