Межклеточные коммуникации. 
Quorum sensing

Дабы преуспеть, бактерии должны быть приспособлены к выживанию и существованию в сложных микробных сообществах. Взаимодействия между микроорганизмами в таких сообществах, равно как и между патогенными микроорганизмами и их хозяевами зависят от экспрессии специфических генов, участвующих в этих взаимодействиях. Не удивительно, что бактерии выработали механизмы детекции конкурентов и растительных либо животных хозяев и системы «быстрого реагирования» на подобные контакты. Во многих случаях экспрессия определенного набора генов будет зависеть от достижения бактериальной популяцией определенной плотности. Например, путем задержки экспрессии факторов вирулентности до тех пор, пока не будет достигнута высокая плотность популяции, патогены растений могут избегать защитной реакции своих хозяев.

У животных и растений проникающие через мембрану сигнальные молекулы, такие как стероидные и брассиностероидные гормоны, метилжасминат и др., являются хорошо изученными регуляторами развития, дифференциации клеток и метаболизма в целом. В последние годы у бактерий тоже были обнаружены сигнальные молекулы такого рода — ацилированные производные гомосеринлактона (АГСЛ), участвующие в межклеточной коммуникации. Бактерии используют эти молекулы прежде всего для того, чтобы следить за плотностью своей популяции. Этот феномен получил название «Quorum sensing» (чувство кворума). Каждая клетка в популяции продуцирует низкий базальный уровень свободно диффундирующего АГСЛ за счет активности специфического фермента, АГСЛ синтетазы, как правило, члена LuxI_семейства белков. С возрастанием плотности бактериальной популяции концентрация АГСЛ также возрастает. При достаточно высокой плотности, т. е. по достижении кворума, накопленный АГСЛ взаимодействует с рецепторным белком, обычно с членом LuxR_семейства белков-регуляторов транскрипции, которые изменяют уровень экспрессии АГСЛ — зависимых генов. У различных бактерий принцип действия АГСЛ-зависимой регуляции сохраняется, хотя набор регулируемых генов может быть совершенно разным. Первой (в 1970 г.) была описана АГСЛ-сенсорная система морской бактерии Vibrio fisheri, где «чувство кворума» регулирует экспрессию генов биолюминесценции (lux). У других бактерий тот же механизм регулирует экспрессию генов вирулентности (Pseudomonas aeruginosa, Erwinia carotovora), конъюгационного переноса Т-ДНК (Agrobacterium tumefaciens), подвижность (Serratia liquefaciens), продукцию антибиотиков (Erwinia carotovora) и др (Рис. 12.1). Когда бактерии Vibrio fisheri колонизируют специальные органы некоторых видов рыб и кальмаров, они начинают светиться в результате активации lux_оперона, кодирующего фермент люциферазу, непосредственно производящий свечение, и ряд ферментов, определяющих синтез субстрата для люциферазы — алифатического альдегида, энергия окисления которого и расходуется на свечение. Продукт гена luxI кодирует синтез АГСЛ, в данном случае N — (3_оксогексаноил) — L_гомосеринлактона. Это вещество способно свободно диффундировать во внешнюю среду через бактериальные мембраны. Во время периода несимбиотической жизни Vibrio fisheri в морской воде АГСЛ в результате такой диффузии не накапливается в клетке и бактерия не тратит энергию на свечение. С другой стороны, при быстром росте в богатой среде световых органов хозяина, где плотность клеток бактерий достигает 1010 на миллилитр, АГСЛ накапливается в бактериальных клетках, приводя к индукции люциферазного оперона.

Самой по себе аккумуляции АГСЛ в клетке недостаточно для активации экспрессии люциферазных генов. Еще один ген, luxR, кодирует транскрипционный активатор, который взаимодействует с АГСЛ. Этот белок имеет два четко выраженных домена. Карбокси-концевой содержит HTH мотив, отвечающий за связывание белка с ДНК в специфических симметричных участках, называемых lux_боксами. Эти короткие (20 н.п.) последовательности были идентифицированы в промоторных областях многих генов, регулируемых АГСЛ. Амино-концевой домен LuxR взаимодействует с АГСЛ. Предполагается, что в отсутствие АГСЛ C_концевой ДНК-связывающий домен экранируется N_концевым доменом, что предотвращает связывание с ДНК. Связывание АГСЛ N_концевым доменом вызывает конформационное изменение, позволяющее амино-концевому домену LuxR связаться с lux_боксами и активировать транскрипцию.

Интересно, что не все LuxR_подобные белки являются активаторами транскрипции. Белки EsaR и ExpR, продуцируемые растительными патогенами Pantoea stewartii и Erwinia carotovora, являются репрессорами. Для этих белков связывание АГСЛ снижает их аффинность к lux_боксам. Тогда как большинство LuxR_подобных активаторов связывается с lux_боксами, перекрывающимися с -35 областью промотора, EsaR связывается в области -10, что, естественно, предотвратит инициацию транскрипции.

Рис. 1 Автоиндукторы грамотрицательных бактерий