Lux-оперон: структура, функции, регуляция

Введение ………………………………………………………………......... 6
1 Психрофильные морские бактерии ……………………………………... 7
1.1 Генетический контроль биолюминесценции бактерий ……………... 8
2 Организация lux-оперонов ………………………………………………. 10
2.1 Сравнение структуры lux-оперонов представителей рода Aliivibrio .. 10
2.2 Системы «quorum sensing» первого типа …………………………….. 12
2.3 Ацил-L-гомосерин лактоны (AHL) и их взаимодействие с белками LuxR-семейства …………………………………………………….………
14
2.4 QS системы первого типа психрофильных бактерий A. Logei и A. Salmonicida ………………………………………………………………….
17
2.5 Внутриклеточные факторы регуляции экспрессии генов, входящих в опероны QS систем ………………………………………………….……
18
2.6 Фотореактивирующая способность биолюминесценции …………… 20
2.7 Использование lux-оперонов для определения несимметричного диметил гидразина ………………………………………………………….
21
Заключение …………………………………………………………………. 23
Список использованных источников ……………………………………... 24

Весь текст будет доступен после покупки

В последние 15 лет достигнут значительный прогресс в понимании механизмов регуляции генов по принципу «Quorum Sensing» (QS). QS – система регуляции экспрессии генов в ответ на увеличение плотности популяции клеток. Различные виды бактерий используют QS для скоординированного ответа, согласованного с локальной плотностью их популяции. Системы регуляции генов типа QS играют ключевую роль во взаимодействии бактерий с высшими организмами, животными и растениями, как при патогенезе, так и при симбиозе. Впервые феномен регуляции генов по типу QS был обнаружен в 1970-е годы у морских бактерий Aliivibrio (ранее Vibrio) fischeri для группы lux-генов, ответственных за биолюминесценцию клеток [9].
Однако термин QS был впервые введен в обиход значительно позже в 1994 г Greenberg E.P. с сотрудниками. [5] В результате активного изучения было обнаружено, что феномен QS широко распространён среди бактерий. Оказалось, что ряд генов, определяющих вирулентность патогенных микроорганизмов и устойчивость к лекарственным препаратам, регулируется по принципу QS, что имеет особое значение для медицины и поэтому вызывает высокий интерес научного сообщества к данной проблеме.
Lux-оперон морских бактерий Aliivibrio fischeri в настоящее время принято считать модельным в исследованиях QS систем, а по обозначению белка LuxR, регулятора lux-оперона было определено семейство LuxR-гомологичных белков – регуляторов QS систем первого типа. В настоящее время остаются открытыми ряд вопросов об эволюционном происхождении феномена биолюминесценции бактерий, а также о механизмах стабилизирующего отбора lux-оперонов у свободноживущих видов бактерий.

Весь текст будет доступен после покупки

1 Психрофильные морские бактерии


Подавляющее большинство биолюминесцирующих бактерий, обитающих в морях и океанах, принадлежит семейству Vibrionaceae, которое включает в себя роды Vibrio, Photobacterium, Aliivibrio. Четыре вида бактерий A. fischeri, A. logei, A. salmonicida, A. wodanis ранее входили в состав рода Vibrio, в настоящее время формируют самостоятельный род Aliivibrio внутри семейства Vibrionaceae. [12] Светящиеся морские бактерии представлены как психрофилами, так и мезофилами, для которых различается оптимальная температура роста.
Психрофильные бактерии обладают способностью к росту в диапазоне температур от 4?С до 30?С. Мезофильные бактерии отличаются тем, что не растут при 4?С, но растут при 30?С и выше. Оптимальная температура роста для психрофильных бактерий, обитающих в Охотском, Беринговом, Балтийском и Белом морях лежит в пределах 12-15?С. Мезофилы представлены видами V. harveyi, A. fischeri, P. leiognathi, а психрофилы - видами A. logei, A. salmonicida, P. phosphoreum. Некоторые бактерии, выращенные при низких температурах, содержат повышенное количество ненасыщенных жирных кислот в липидах, что, по-видимому, способствует сохранению при низких температурах жидкого состояния липидных компонентов мембран, необходимого для их функционирования.
Психрофильные микроорганизмы чувствительны к повышенному содержанию солей в окружающей среде, которое вызывает физиологическую сухость в организме [20].
Глубина и градиент температуры воды играют определяющую роль в заселении светящимися бактериями морей и океанов [1,2]. В верхних слоях теплых морей преобладают мезофилы, большей частью представленные видом V. harveyi. С увеличением толщи воды и снижением температуры происходит видовое замещение бактерий. На глубине от 200 м, где температура опускается ниже 15?С, доминируют психрофилы, в основном P. phosphoreum. Оптимальной средой обитания для психрофильных бактерий также являются верхние слои холодных морей Арктики и Антарктики. Ранее считалось, что ареал хозяев - кальмаров Sepiola robusta и Eupriymna scolopes определял распространенность бактерий-симбионтов A. fischeri и A. logei [6]. Позднее было показано более широкое распространение A. logei, связанное с обитанием в кишечнике рыб в качестве комменциалов в акваториях Охотского, Берингова и Белого морей и Черного моря.
Психрофилы и мезофилы существенно различаются между собой в молекулярном составе и строении. Структура молекул ДНК всех психрофильных бактерий отличается низким содержание GC-пар. Молекулярная подвижность белков психрофильных бактерий увеличена за счет сниженного количества аланина, пролина, аргинина в аминокислотном составе белков. У мезофильных бактерий концентрация АТФ значительно выше, чем у психрофильных. Высокая концентрация АТФ компенсирует низкий уровень молекулярной подвижности белков у мезофилов.
Ферменты психрофилов обладают высокой активностью, которая достигается в результате снижения термостабильности белка и повышения подвижности элементов, входящих в структуру активного центра белка и его окружение, что нивелирует падение скорости реакций при холодовом стрессе. Высокая активность ферментов у психрофилов является одним из жизненно важных свойств, отличающих их от мезофилов.
Второе существенное отличие психрофильных бактерий, выявленное в результате геномного анализа, заключается в том, что в их геноме некоторые гены повторяются по нескольку раз, что приводит к увеличенной экспрессии целевого белка, и повышает устойчивость микроорганизмов к низким температурам.
В резистентности психрофильных бактерий к низким температурам наряду с многокопийностью жизненно важных генов и повышенной активностью ферментов вовлечены белки «холодового шока». Их синтез нарастает при снижении температуры культивирования бактерий. Эти белки присутствуют и мезофилов, в частности у E. coli. Различие межу психрофилами и мезофилами заключается в том, что у первых «холодовая индукция» проявляется при смене температуры с 15?С на 4?С, а у вторых индукция происходит при переносе бактерий с 37?С на 15?С. Способность психрофилов выживать при низких температурах существенным образом задается белками «холодового шока», которые являются ключевыми компонентами клетки.
Белки «теплового шока» также содействуют резистентности психрофильных бактерий к холоду. В результате введения в клетки E. coli гена шаперонина GroEL из бактерии-психрофила Pseudoalteromonas haloplanktis TAC 125 была зарегистрирована повышенная устойчивость клеток к холоду. . Такой же эффект был обнаружен в результате введения в клетки E. coli dnaK- гена dnaK, кодирующего другой белок «теплового шока» из психрофильной бактерий Shewanella sp.
Следует подчеркнуть, что культивирование при низкой температуре бактерий, применяемых в качестве суперпродуцентов в биотехнологических работах, позволяет существенно снизить энергетические расходы. Представляется интересным и перспективным применение в биотехнологии ферментов психрофильных бактерий с точки зрения их повышенной активности при холодовом стрессе.

Весь текст будет доступен после покупки

1 D’Amico S., Collins T., Marx J. C., Feller G. and Gerday C. ‘Psychrophilic microorganisms: Challenges for life’// EMBO Reports. EMBO Rep. 2006. pp. 385–389. doi: 10.1038/sj.embor.7400662.
2 Deming J. W. ‘Psychrophiles and polar regions’// Current Opinion in Microbiology. Elsevier Ltd. 2002. pp. 301–309. doi: 10.1016/S1369-5274(02)00329-6.
3 Engebrecht J. A. and Silverman M. ‘Identification of genes and gene products necessary for bacterial bioluminescence’// Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 1984. 81(13 I). pp. 4154–4158. doi: 10.1073/pnas.81.13.4154.
4 Fidopiastis P. M., Sorum H. and Ruby E. G. ‘Cryptic luminescence in the cold-water fish pathogen Vibrio salmonicida’// Archives of Microbiology. 1999. 171(3). pp. 205–209. doi: 10.1007/s002030050700.
5 Fuqua W. C., Winans S. C. and Greenberg E. P. ‘Quorum sensing in bacteria: The LuxR-LuxI family of cell density- responsive transcriptional regulators’// Journal of Bacteriology. 1994. 176(2). pp. 269–275. doi: 10.1128/jb.176.2.269-275.1994.
6 Jones B. W., Maruyama A., Ouverney C. C. and Nishiguchi M. K. ‘Spatial and temporal distribution of the Vibrionaceae in coastal waters of Hawaii, Australia, and France’// Microbial Ecology. 2007. 54(2). pp. 314–323. doi: 10.1007/s00248-006-9204-z.
7 Kozakiewicz J., Gajewska M., CzyAo A. and WeI§grzyn G. ‘Bioluminescence-mediated stimulation of photoreactivation in bacteria’// FEMS Microbiology Letters. 2005. 250(1). pp. 105–110. doi: 10.1016/j.femsle.2005.06.047.
8 Meighen E. A. ‘Molecular biology of bacterial bioluminescence’// Microbiological Reviews. 1991. 55(1). pp. 123–142. doi: 10.1128/mmbr.55.1.123-142.1991.
9 Nealson K. H. and Hastings J. W. ‘Quorum sensing on a global scale: Massive numbers of bioluminescent bacteria make milky seas’// Applied and Environmental Microbiology. American Society for Microbiology (ASM). 2006. pp. 2295–2297. doi: 10.1128/AEM.72.4.2295-2297.2006.
10 Nealson K. H., Platt T. and Hastings J. W. ‘Cellular control of the synthesis and activity of the bacterial luminescent system’// Journal of Bacteriology. 1970. 104(1). pp. 313–322. doi: 10.1128/jb.104.1.313-322.1970.

Весь текст будет доступен после покупки