Autoinducerare

Autoinducerare är signalmolekyler som produceras som svar på förändringar i cellpopulationstäthet. När tätheten av kvorumavkännande bakterieceller ökar, ökar också koncentrationen av autoinduceraren. Detektion av signalmolekyler av bakterier fungerar som stimulering som leder till förändrat genuttryck när den minimala tröskeln nås. Quorum sensing är ett fenomen som gör att både gramnegativa och grampositiva bakterier kan känna av varandra och reglera en mängd olika fysiologiska aktiviteter. Sådana aktiviteter inkluderar symbios , virulens , motilitet , antibiotikaproduktion och biofilmbildning . Autoinducerare finns i ett antal olika former beroende på art, men effekten som de har är likartad i många fall. Autoinducerare tillåter bakterier att kommunicera både inom och mellan olika arter. Denna kommunikation förändrar genuttryck och tillåter bakterier att montera koordinerade svar på sina miljöer, på ett sätt som är jämförbart med beteende och signalering i högre organismer . Inte överraskande har det föreslagits att kvorumavkänning kan ha varit en viktig evolutionär milstolpe som i slutändan gav upphov till flercelliga livsformer.

Upptäckt

Termen "autoinduktion" myntades första gången 1970, då det observerades att den bioluminescerande marina bakterien Vibrio fischeri producerade ett självlysande enzym ( luciferas ) först när kulturerna hade nått en tröskelvärde för befolkningstäthet. Vid låga cellkoncentrationer V. fischeri luciferasgenen. När odlingarna väl hade nått exponentiell tillväxtfas aktiverades emellertid luciferasgenen snabbt. Detta fenomen kallades "autoinduktion" eftersom det involverade en molekyl (autoinducerare) som ackumulerades i ett tillväxtmedium och inducerade syntesen av komponenter i luminescenssystemet. Efterföljande forskning visade att den faktiska autoinduceraren som används av V. fischeri är en acylerad homoserinlakton (AHL) signalmolekyl.

Mekanism

I de mest förenklade kvorumavkänningssystemen behöver bakterier bara två komponenter för att använda autoinducerare. De behöver ett sätt att producera en signal och ett sätt att svara på den signalen. Dessa cellulära processer är ofta tätt koordinerade och involverar förändringar i genuttryck. Produktionen av autoinducerare ökar i allmänhet när bakteriecelltätheten ökar. De flesta signaler produceras intracellulärt och utsöndras därefter i den extracellulära miljön. Detektion av autoinducerare involverar ofta diffusion tillbaka in i celler och bindning till specifika receptorer . Vanligtvis sker inte bindning av autoinducerare till receptorer förrän en tröskelkoncentration av autoinducerare uppnås. När detta väl har inträffat förändrar bundna receptorer genuttrycket antingen direkt eller indirekt. Vissa receptorer är transkriptionsfaktorer , medan andra vidarebefordrar signaler till nedströms transkriptionsfaktorer. I många fall deltar autoinducerare i framåtriktade återkopplingsslingor, varvid en liten initial koncentration av en autoinducerare förstärker produktionen av samma kemiska signal till mycket högre nivåer.

Klasser

Acylerade homoserinlaktoner

Acylerade homoserinlaktoner (AHL) är primärt producerade av gramnegativa bakterier och är en klass av små neutrala lipidmolekyler som består av en homoserinlaktonring med en acylkedja. AHL som produceras av olika arter av gramnegativa bakterier varierar i längden och sammansättningen av acylsidokedjan, som ofta innehåller 4 till 18 kolatomer. AHL syntetiseras av AHL-syntaser. De diffunderar in och ut ur celler genom både passiv transport och aktiva transportmekanismer . Receptorer för AHL inkluderar ett antal transkriptionella regulatorer som kallas "R-proteiner", som fungerar som DNA-bindande transkriptionsfaktorer eller sensorkinaser .

Peptider

Gram-positiva bakterier som deltar i kvorumavkänning använder vanligtvis utsöndrade oligopeptider som autoinducerare. Peptidautoinducerare är vanligtvis resultatet av posttranslationell modifiering av en större prekursormolekyl. I många grampositiva bakterier kräver utsöndring av peptider specialiserade exportmekanismer. Till exempel utsöndras vissa peptidautoinducerare av ATP-bindande kassetttransportörer som kopplar proteolytisk bearbetning och cellulär export. Efter utsöndring ackumuleras peptidautoinducerare i extracellulära miljöer. När väl en tröskelnivå för signalen har nåtts detekterar ett histidinsensorkinasprotein från ett tvåkomponents regulatoriskt system det och en signal vidarebefordras in i cellen. Som med AHL, slutar signalen i slutändan att förändra genuttrycket. Till skillnad från vissa AHL fungerar dock de flesta oligopeptider inte som transkriptionsfaktorer själva.

Furanosylboratdiester

Den fritt levande bioluminescerande marina bakterien, Vibrio harveyi , använder en annan signalmolekyl förutom en acylerad homoserinlakton. Denna molekyl, benämnd Autoinducer-2 (eller AI-2), är en furanosylboratdiester. AI-2, som också produceras och används av ett antal gramnegativa och grampositiva bakterier, tros vara en evolutionär länk mellan de två huvudtyperna av kvorumavkänningskretsar.

I gramnegativa bakterier

Som nämnts använder gramnegativa bakterier främst acylerade homoserinlaktoner (AHL) som autoinducermolekyler. Minsta kvorumavkänningskrets i gramnegativa bakterier består av ett protein som syntetiserar en AHL och ett andra, annorlunda protein som upptäcker det och orsakar en förändring i genuttryck. Först identifierades i V. fischeri , dessa två sådana proteiner är LuxI respektive LuxR. Andra gramnegativa bakterier använder LuxI-liknande och LuxR-liknande proteiner ( homologer ), vilket tyder på en hög grad av evolutionär bevarande . Bland Gram-negativa har dock kretsen av LuxI/LuxI-typ modifierats i olika arter. Beskrivs mer i detalj nedan, dessa modifieringar återspeglar bakteriella anpassningar för att växa och svara på särskilda nischmiljöer .

Vibrio fischeri : bioluminescens

Ekologiskt är V. fischeri känd för att ha symbiotiska associationer med ett antal eukaryota värdar, inklusive Hawaiian Bobtail Squid ( Euprymna scolopes) . I detta förhållande upprätthåller bläckfiskvärden bakterierna i specialiserade ljusorgan. Värden ger en säker, näringsrik miljö för bakterierna och i sin tur ger bakterierna ljus. Även om bioluminescens kan användas för parning och andra ändamål, används den i E. scolopes för motbelysning för att undvika predation.

Autoinducermolekylen som används av V. fischeri är N-(3-oxohexanoyl)-homoserinlakton. Denna molekyl produceras i cytoplasman av LuxI-syntasenzymet och utsöndras genom cellmembranet till den extracellulära miljön. Såsom är sant för de flesta autoinducerare är miljökoncentrationen av N-(3-oxohexanoyl)-homoserinlakton densamma som den intracellulära koncentrationen inom varje cell. N-(3-oxohexanoyl)-homoserin lakton diffunderar så småningom tillbaka in i celler där det känns igen av LuxR när en tröskelkoncentration (~10 μg/ml) har uppnåtts. LuxR binder autoinduceraren och aktiverar direkt transkription av luxICDABE -operonet. Detta resulterar i en exponentiell ökning av både produktionen av autoinducerare och i bioluminescens. LuxR bunden av autoinducerare hämmar också uttrycket av luxR , vilket tros ge en negativ återkopplingskompensatorisk mekanism för att noggrant kontrollera nivåerna av bioluminescensgenerna.

Pseudomonas aeruginosa : virulens och antibiotikaproduktion

P. aeruginosa är en opportunistisk mänsklig patogen associerad med cystisk fibros . Vid P. aeruginosa- infektioner är kvorumavkänning avgörande för biofilmbildning och patogenicitet. P. aeruginosa innehåller två par LuxI/LuxR-homologer, LasI/LasR och RhlI, RhlR. LasI och RhlI är syntasenzymer som katalyserar syntesen av N-(3-oxododecanoyl)-homoserin-lakton respektive N-(butyryl)-homoserin-lakton. LasI/LasR- och RhlI/RhlR-kretsarna fungerar i tandem för att reglera uttrycket av ett antal virulensgener. Vid en tröskelkoncentration binder LasR N-(3-oxododecanoyl)-homoserin lakton. Tillsammans främjar detta bundna komplex uttrycket av virulensfaktorer som är ansvariga för tidiga stadier av infektionsprocessen.

LasR bunden av dess autoinducerare aktiverar också uttrycket av RhlI/RhlR-systemet i P. aeruginosa . Detta orsakar uttrycket av RhlR som sedan binder dess autoinducerare, N-(butryl)-homoserin lakton. I sin tur aktiverar autoinducerbunden RhlR en andra klass av gener involverade i senare stadier av infektion, inklusive gener som behövs för antibiotikaproduktion. Förmodligen används antibiotikaproduktion av P. aeruginosa för att förhindra opportunistiska infektioner av andra bakteriearter. N-(3-oxododecanoyl)-homoserin-lakton förhindrar bindning mellan N-(butryl)-homoserin-lakton och dess besläktade regulator, RhlR. Man tror att denna kontrollmekanism tillåter P. aeruginosa att initiera kvorumavkännande kaskader sekventiellt och i lämplig ordning så att en korrekt infektionscykel kan uppstå.

Andra gramnegativa autoinducerare

P. aeruginosa använder också 2-heptyl-3-hydroxi-4-kinolon (PQS) för kvorumavkänning. Denna molekyl är anmärkningsvärd eftersom den inte tillhör homoserinlaktonklassen av autoinducerare. PQS tros ge en ytterligare regulatorisk länk mellan Las- och Rhl-kretsarna involverade i virulens och infektion.
Agrobacterium tumefaciens är en växtpatogen som inducerar tumörer på mottagliga värdar. Infektion med A. tumefaciens involverar överföring av en onkogen plasmid från bakterien till värdcellkärnan, medan kvorumavkänning kontrollerar den konjugala överföringen av plasmider mellan bakterier. Konjugering , å andra sidan, kräver HSL-autoinduceraren, N-(3-oxooktanoyl)-homoserinlakton.
Erwinia carotovora är en annan växtpatogen som orsakar mjukröta. Dessa bakterier utsöndrar cellulaser och pektinaser, som är enzymer som bryter ner växternas cellväggar. ExpI/ExpR är LuxI/LuxR-homologer i E. carotovora som tros kontrollera utsöndringen av dessa enzymer endast när en tillräckligt hög lokal celltäthet uppnås. Autoinduceraren involverad i kvorumavkänning i E. carotovora är N-(3-oxohexanoyl)-L-homoserinlakton.

I grampositiva bakterier

Medan gramnegativa bakterier främst använder acylerade homoserinlaktoner, använder grampositiva bakterier i allmänhet oligopeptider som autoinducerare för kvorumavkänning. Dessa molekyler syntetiseras ofta som större polypeptider som klyvs post-translationellt för att producera "bearbetade" peptider. Till skillnad från AHL som fritt kan diffundera över cellmembran, kräver peptidautoinducerare vanligtvis specialiserade transportmekanismer (ofta ABC-transportörer). Dessutom diffunderar de inte fritt tillbaka in i cellerna, så bakterier som använder dem måste ha mekanismer för att upptäcka dem i deras extracellulära miljöer. De flesta grampositiva bakterier använder en tvåkomponents signalmekanism vid kvorumavkänning. Utsöndrade peptidautoinducerare ackumuleras som en funktion av celldensitet. När väl en kvorumnivå av autoinducerare har uppnåtts, initierar dess interaktion med ett sensorkinas vid cellmembranet en serie fosforyleringshändelser som kulminerar i fosforyleringen av ett regulatorprotein intracellulärt. Detta regulatorprotein fungerar därefter som en transkriptionsfaktor och förändrar genuttryck. I likhet med gramnegativa bakterier är autoinduktions- och kvorumavkänningssystemet i grampositiva bakterier bevarat, men återigen har enskilda arter skräddarsytt specifika aspekter för att överleva och kommunicera i unika nischmiljöer.

Streptococcus pneumoniae : kompetens

S. pneumoniae är mänsklig patogen bakterie där processen för genetisk transformation först beskrevs på 1930-talet. För att en bakterie ska kunna ta upp exogent DNA från sin omgivning måste den bli kompetent . I S. pneumoniae måste ett antal komplexa händelser inträffa för att uppnå ett kompetent tillstånd, men man tror att kvorumavkänning spelar en roll. Kompetensstimulerande peptid (CSP) är en peptidautoinducerare med 17 aminosyror som krävs för kompetens och efterföljande genetisk transformation. CSP produceras genom proteolytisk klyvning av en 41-aminosyraprekursorpeptid (ComC); utsöndras av en ABC-transportör (ComAB); och detekteras av ett sensorkinasprotein (ComD) när det väl har nått en tröskelkoncentration. Detektion följs av autofosforylering av ComD, som i sin tur fosforylerar ComE. ComE är en responsregulator som ansvarar för att aktivera transkription av comX , vars produkt krävs för att aktivera transkription av ett antal andra gener involverade i utvecklingen av kompetens.

Bacillus subtilis : kompetens och sporbildning

B. subtilis är en jordlevande mikrob som använder kvorumavkänning för att reglera två olika biologiska processer: kompetens och sporulering . Under stationär tillväxtfas när B. subtilis har hög celldensitet, induceras cirka 10 % av cellerna i en population att bli kompetenta. Man tror att denna subpopulation blir kompetent att ta upp DNA som potentiellt skulle kunna användas för reparation av skadade (muterade) kromosomer . ComX (även känd som kompetensfaktor) är en 10-aminosyrors peptid som bearbetas från en 55-aminosyrors peptidprekursor. Liksom de flesta autoinducerare utsöndras ComX och ackumuleras som en funktion av celldensitet. När en extracellulär tröskelnivå har uppnåtts detekteras ComX av ett tvåkomponents ComP/ComA-sensorkinas/responsregulatorpar. Fosforylering av ComA aktiverar uttrycket av comS- genen, ComS hämmar nedbrytningen av ComK, och slutligen aktiverar ComK uttrycket av ett antal gener som krävs för kompetens.

Sporulation, å andra sidan, är ett fysiologiskt svar av B. subtilis på utarmning av näringsämnen i en viss miljö. Det regleras också av extracellulär signalering. När B. subtilis -populationer känner av avtagande förhållanden, svarar de genom att genomgå asymmetrisk celldelning. Detta producerar i slutändan sporer som är anpassade för spridning och överlevnad under ogynnsamma förhållanden. Sporulation i B. subtilis medieras av CSF (sporulationsfaktor), en pentapeptid som spjälkas från prekursorpeptiden PhrC. CSF utsöndras i den extracellulära miljön och tas tillbaka till celler via ABC-transportören Opp där den verkar intracellulärt. Medan låga interna koncentrationer av CSF bidrar till kompetens, inducerar höga koncentrationer sporulering. CSF hämmar ett fosfatas, RabB, som ökar aktiviteten av Spo0A, vilket gynnar en förändring i engagemang från kompetens till sporuleringsvägen