Что такое паразиты прокариотических организмов
Обновлено: 24.04.2024
Эндосимбиоз прокариот и эукариот
• Митохондрии и хлоропласты образовались при интеграции прокариот в цитоплазму эукариотических клеток где они стали постоянными симбиотическими резидентами
• У некоторых видов растительных культур ризобии образуют клубеньки, и атмосферный азот может превращаться в биологически усваиваемый аммиак
• Развитие и жизнеспособность гороховой тли зависят от эндосимбиоза с бактериями Buchnera
Под термином эндосимбиоз понимают такие взаимоотношения между двумя симбиотическими организмами, при которых один организм существует внутри другого. Обычно такие взаимоотношения выгодны для одного или для обоих организмов. Эндосимбиотическое сосуществование с прокариотами определило многие пути эволюции эукариот. В первую очередь, следует отметить эндосимбиоз, в результате которого в эукариотических клетках появились митохондрии и хлоропласты. Они представляют собой органеллы, в которых происходят процессы окислительного фосфорилирования, в результате чего образуется АТФ. Без митохондрий эукариотические клетки зависели бы от анаэробного гликолиза, который, по сравнению с аэробным дыханием, является крайне малоэффективным. За счет дыхания образуется в 15 раз больше молекул АТФ, чем при гликолизе. Неудивительно поэтому, что клеткам таких органов, как сердце и скелетные мышцы, которые потребляют много энергии, необходимо много митохондрий. В клетках растений хлоропласты превращают энергию солнечного света в АТФ в ходе процесса, называемого фотосинтезом.
Линн Маргулис привела убедительные доводы в пользу того, что митохондрии и хлоропласты представляют собой потомков микробов, которые вначале вели самостоятельное существование, но в какой-то момент начали симбиоз с клетками эукариот. Существует много доказательств в пользу такого эндосимбиоза. Эти органеллы образуются только из предсуществующих митохондрий и хлоропластов, поскольку ядерные гены кодируют лишь часть белков, входящих в их состав, — остальные кодируются генетическим материалом самой органеллы. Митохондрии и хлоропласты имеют собственный геном, напоминающий геном прокариот. Он содержит кольцевые молекулы ДНК, не связанные с гистонами, которые способны делиться и реплицироваться независимо от репликации клетки хозяина.
Наиболее убедительное доказательство прокариотического происхождения митохондрий заключается в том, что гены рибосомальной РНК обнаруживают явное прокариотическое, а не эукариотическое происхождение. Секвенирование митохондриального генома простейшего Reclinomonas americana показало, что он содержит около 70 генов, почти половина из которых кодирует компоненты аппарата трансляции. Остальные кодируют ферменты, принимающие участие в энергетических процессах митохондрий.
Эти факторы начинают экспрессироваться, когда Rhizobium обнаруживает флавоноиды, специфичные для каждого вида растений. Поэтому клубеньки образуются только в том случае, когда прокариоты обнаружат специфический флавоноид растения и начнут синтезировать факторы Nod. В свою очередь, эти факторы будут осуществлять эндосимбиоз только с тем растением, которое секретирует данный флавоноид. Факторы Nod представляют собой молекулы олигосахаридов. Сейчас ведется поиск рецепторов этих факторов в клетках корневой системы растений. При исследовании связывания на уровне клеточных экстрактов уже идентифицированы возможные кандидаты на роль рецепторов Nod. Впрочем, идентифицированные белки связываются с факторами неспецифическим образом и поэтому вряд ли представляют собой рецепторы Nod in vivo. Еще один подход к поиску рецепторов Nod заключается в идентификации растительных белков, способных связывать сахара, а затем в исследовании их сродства и связывания с факторами Nod. Этот подход был использован для идентификации белка, называющегося лектин-нуклеотид фосфогидролаза (LNP), который специфически связывается с факторами Nod. Антитела к этому белку блокируют образование клубеньков, что позволяет предполагать, что LNP является существенным компонентом их формирования. В настоящее время предпринимаются попытки идентифицировать другие рецепторы Nod.
Эндосимбиоз играет роль в развитии и обеспечении жизнеспособности многих насекомых. К числу наиболее хорошо известных случаев такого эндосимбиоза относятся взаимоотношения между гороховой тлей и бактериями, относящимися к виду Buchnera. Эти бактерии относятся к Proteobacterium и являются облигатными эндосимбионтами, обитающими в клетках хозяина — тли. Buchnera существует в форме бактериоцитов, представляющих собой специализированные клетки, находящиеся в полости тела тли.
Перенос бактерии в яйца и эмбрионы свидетельствует в пользу того, что Buchnera инфицирует каждое насекомое. Почему гороховая тля переносит вторжение в свой организм бактерий Buchnera?. Оказывается, прокариоты пополняют рацион тли, обеспечивая ее несколькими необходимыми питательными веществами. Основным продуктом питания тли служит сок растений, богатый углеводами и почти не содержащий аминокислот. Трудно доказать экспериментально, какими питательными веществами бактерии обеспечивают клетки организма хозяина. Известно, однако, что в геноме Buchnera присутствуют гены, кодирующие ферменты синтеза аминокислот, которые необходимы для жизнедеятельности тли. Более того, насекомые, инфицированнные Buchnera, выживают на синтетическом корме, в составе которого незаменимые аминокислоты отсутствуют. Однако, если насекомых обработать антибиотиками, которые уничтожают Buchnera, они начинают голодать и быстро погибают. Эти данные однозначно свидетельствуют о том, что Buchnera служат источником аминокислот для клеток организма хозяина. Интересно, что тли, в организме которых не содержится Buchera, плохо растут даже при скармливании им богатого рациона, содержащего все незаменимые аминокислоты. Это позволяет предполагать, что при эндосимбиозе Buchera обеспечивает организм хозяина не только незаменимыми аминокислотами.
Клубеньки, образующиеся при инфицировании корней некоторых растений бактериями Rhizobium.
Этот эндосимбиоз выгоден растению: бактерии синтезируют аммиак,
который используется растением в процессе фиксации атмосферного азота. Бактериоциты представляют собой клетки,
находящиеся в организме гороховой тли (насекомого), инфицированной бактериями Buchera.
На фотографии показан окрашенный препарат бактериоцита,
в котором видно ядро и бактерии, заполняющие цитоплазму.
Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021
Обзор
Многообразие мобильных генетических элементов
Автор
Редакторы
Организмы и геномы можно таким образом расценивать как секции биосферы, по которым гены глобально циркулируют с различной интенсивностью, и в которые персональные гены и опероны могут включаться, если они предоставляют достаточные преимущества.
K. Jeon и J. Danielli [1]
Основные сокращения
МГЭ мобильные генетические элементы ГГП горизонтальный генетический перенос ОРС открытая рамка считывания, последовательность нуклеотидов между инициирующим и терминирующим кодонами гена ori T место начала переноса цепи плазмидной ДНК при мобилизации ori V место начала репликации (копирования, воспроизводства) плазмидной ДНК rep ген белка-инициатора репликации многих бактериальных плазмид
Вирусы: суперпаразиты и помощники
В 2012 году охарактеризовали интегрированную в ДНК мимивирусов форму вирофага и даже новый класс МГЭ — трансповироны, способные встраиваться в ДНК и мимимирусов, и вирофагов [7]. Подобно бактериофагам, переносящим гены от одних бактерий к другим, вирофаги могут играть важную роль в ГГП между разными группами вирусов и их хозяевами.
Многие профаги кодируют факторы вирулентности, трансформируя нетоксигенные бактерии в агентов-убийц: профаг CTXphi из Vibrio cholerae кодирует холерный токсин, а упомянутый выше P22 — ферменты конверсии О-антигена сальмонеллы, позволяя ей уходить от иммунного надзора.
В составе фагов обнаруживают другие МГЭ (например, транспозоны, несущие гены антибиотикорезистентности) и их модули (системы репликации и переноса конъюгативных плазмид). Самый известный пример слияния модулей фагового и плазмидного происхождения — фаг Р1, способный реплицироваться и длительно поддерживаться вне хромосомы, ничем не отличаясь от плазмиды. Профаги разных бактерий детально рассмотрены в обзоре [8].
Плазмиды — маленькие гиганты больших процессов
Плазмиды — внехромосомные двуцепочечные молекулы ДНК, способные к длительному автономному существованию в клетках прокариот и некоторых эукариот. Чаще всего плазмидные ДНК суперскручены и ковалентно замкнуты в кольцо, однако у актиномицетов и спирохет встречаются и линейные формы, что обычно сочетается с линейной организацией хромосом. Размер плазмид обычно варьирует от 0,85 т.п.н. (pRKU1 из Thermotoga petrophila) до 600 т.п.н., но у бруцелл и ризобий описаны мегаплазмиды размером более 1 млн п.н., что иногда делает вопрос их дифференцировки от дополнительных хромосом риторическим [9]. Элиминация мегаплазмид, в отличие от хромосом, обычно не вызывает фатальных для бактериальной клетки последствий, однако вместе с плазмидами могут утратиться такие важные функции, как способность к фиксации азота и формированию симбиотических клубеньков (у ризобий).
На долю плазмидной ДНК может приходиться 1–15% наследственной информации бактериальной клетки, однако известны случаи, когда плазмидами контролируется до 25% (у некоторых Archaea) и даже до 40% информации (2 мегаплазмиды размером около 1,4 и 1,6 млн п.н. у Sinorhizobium meliloti).
Плазмидами часто мобилизуются сосуществующие с ними в одной клетке неконъюгативные МГЭ (но обладающие как минимум сайтом начала переноса oriT, а чаще и генами mob) и даже хромосомы. Мобилизация генов хромосомы возможна в случае интеграции в неё конъюгативной плазмиды. Это возможно, когда в обеих молекулах присутствуют одинаковые инсерционные последовательности (IS-элементы), обеспечивающие гомологичную рекомбинацию (типичный пример — F-фактор E.coli). Однако интеграция может быть и RecA-независимой, если плазмида кодирует тирозиновую интегразу (плазмиды стрептомицетов pSE101, pSAM2 и псевдомонад pKLK106). В этом случае интеграция чаще происходит в гены тРНК, но в некоторых хозяевах эта закономерность нарушается [3].
Транспозоны — универсальные генетические челноки
Транспозоны — МГЭ, перемещающиеся как в пределах одной молекулы ДНК, так и между разными репликонами одного генома (конъюгативные транспозоны — и между геномами). Фланкированы инвертированными повторами, а в центральной части содержат гены, ответственные за перемещение. Транспозоны прокариот подразделяют на IS-элементы, Tn-элементы и Mu-подобные фаги [10].
Интегроны — природные системы клонирования и экспрессии
В процессе перемещения от одного интегрона к другому или от одного сайта в интегроне к другому сайту, генная кассета существует как автономная и неспособная к репликации двунитевая кольцевая молекула ДНК. Кассеты, захватываемые интегронами и суперинтегронами, могут содержать гены факторов патогенности, метаболических путей, детерминанты антибиотико- и дезинфектантоустойчивости или гены рестрикционных ферментов. Интеграза IntI катализирует сайт-специфическую рекомбинацию между сайтами attI и attC, в результате чего происходит интеграция или вырезание кассеты. Множество событий интеграции ведет к образованию мультикассетных рядов, в которых все кассеты фланкированы attC-сайтами. Известны хромосомные суперинтегроны, включающие до 179 генных кассет (у Vibrio cholerae), однако среди клинически значимых бактерий большинство интегронов содержит до 5–8 генных кассет. Наиболее эффективно экспрессируются кассеты, расположенные ближе к промотору, но изменение селективного давления может способствовать перестройкам в составе интегрона.
Рисунок 3. Интегрон — ДНК, улавливающая генные кассеты и распространяемая в составе более высокоорганизованных МГЭ. а — Структура интегрона класса 1. Pint — промотор интегразы, Pant — промотор кассет антибиотикорезистентности. Остальные элементы объяснены в тексте; б — Иерархическая организация МГЭ.
Все интегроны, несущие кассеты антибиотикорезистентности, разделяют на 5 классов на основании гомологии последовательностей кодируемых ими интеграз. Большинство интегронов антибиотикорезистентности относится к классу 1 (часто ассоциированы с Tn21-семейством). Они включают два концевых невариабельных региона, называемых константными последовательностями (constant sequences, CS), и высоковариабельный центральный участок. В одном конце интегрона (5’-CS), обычно находятся intI, attI и промотор, от которого экспрессируются гены кассеты. В другом конце (3’-CS), находится часть гена qacEΔ1, который, будучи интактным, несёт устойчивость к четвертичным аммониевым соединениям. За ним расположен ген sul, определяющий резистентность микроорганизма к сульфаниламидам, и 1–2 гена с неустановленной функцией — orf5 и иногда orf6 (рис. 3, а). Интегроны класса 2 ассоциированы с Tn7-семейством, классов 3 и 5 — с плазмидами, класса 4 — с конъюгативным геномным островом SXT Vibrio cholerae.
Рисунок 4. Схематическое изображение структуры геномного острова в составе бактериальной хромосомы. DR — прямые повторы ДНК хромосомы, фланкирующие ГО; IS — инсерционные элементы.
Геномные острова гонококков (GGI) кодируют систему секреции типа IV (T4SS), родственную плазмидным системам конъюгационного переноса. Посредством T4SS распространяется не только сам элемент и его продукты, но секретируется в окружающую среду и хромосома Neisseria gonorrhoeae, которая затем может трансформировать другие бактерии и участвовать в рекомбинационных событиях.
Главные нарушители границ и их мекка
Из обитателей отстойников, а что самое опасное — из бактерий вод, уже прошедших очистку, — в большом количестве выделяют плазмиды IncP-1-группы несовместимости (в системе классификации плазмид псевдомонад) [12]. Эти относительно небольшие молекулы дарят хозяевам массу селективных преимуществ (от множественной резистентности до биодеградации хлорорганики) и способны распространяться не только среди псевдомонад, но и практически всех грамотрицательных и некоторых грамположительных бактерий. Кроме того, они способны мобилизовать неконъюгативные R-плазмиды (например, IncP-4) к переносу в ещё более широкий спектр бактерий, а также в дрожжи и клеточные линии млекопитающих [17].
Биология плазмид в России и за рубежом. Что же можно возвести на крепком фундаменте?
Обзор
cGAS и виперины — редкие примеры известных противовирусных систем прокариот, унаследованных эукариотами
Автор
Редактор
Генеральный партнер конкурса — ежегодная биотехнологическая конференция BiotechClub, организованная международной инновационной биотехнологической компанией BIOCAD.
Спонсор конкурса — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.
Что мы знаем об иммунитете прокариот?
Что объединяет грипп [1], оспу [2], бешенство [3], краснуху [4], геморрагическую лихорадку Эбола и COVID-19? Правильно, все эти заболевания человека вызываются вирусами. Есть названия и у некоторых вирусных инфекций других многоклеточных организмов: чума собак, паралич сверчка, табачная мозаика. Однако никто не придумал имена инфекционным заболеваниям прокариот. Между тем, вирусы и им изрядно досаждают. Разумеется, и прокариоты, и эукариоты обзавелись целым арсеналом средств для борьбы с паразитами, причем о защитных системах последних, а особенно об иммунной системе человека, науке известно куда больше, и информация о принципах работы врожденного и приобретенного иммунитетов давно вошла в школьный учебник.
А что у прокариот? Любой молекулярный биолог знает системы рестрикции-модификации и CRISPR-Cas, поскольку их компоненты нашли широкое применение в лабораторной практике [5], [6]. Однако это далеко не все антивирусные приспособления прокариот, известные ученым. Долгое время поиск был сосредоточен на Escherichia coli и еще нескольких модельных бактериях, но даже в такой узкой группе микроорганизмов удалось обнаружить несколько антивирусных систем с различными механизмами действия. Настоящую революцию в поиске новых антифаговых систем произвело обнаружение защитных островков (defence islands) — участков геномов прокариот, которые кодируют компоненты защитных систем [7]. Таким образом, если какой-то ген Х находится вблизи генов уже известных защитных систем в большом количестве прокариотических геномов, можно предположить, что Х тоже кодирует какой-то белок, участвующий в борьбе с вирусами. Поскольку количество прочитанных прокариотических геномов в последнее время растет как на дрожжах, этот подход позволяет ученым ежегодно находить новые гены, вовлеченные в защиту от вирусов . Так, в одной из статей 2018 года авторы описали сразу девять новых защитных систем [8], а в 2020 году одновременно две группы сообщили об обнаружении антифаговой активности у некоторых ретронов — крайне странных генетических элементов прокариот, казавшихся ранее абсолютно бесполезными [9], [10].
Еще в 2011 году обнаружили, что в защитных островках часто находятся гены, кодирующие белки-аргонавты , и с тех пор были получены убедительные свидетельства их роли в защите клеток от фагов [7], [15]. Эта находка интересна тем, что в отличие от остальных известных нам антивирусных систем прокариот, аргонавты широко распространены и среди эукариот. Странно, что до недавнего времени белки-аргонавты были единственным подобным примером. К счастью, два недавних открытия устранили это недоразумение.
cGAS — универсальный сигнальный компонент антивирусных систем
Узнавание вирусной нуклеиновой кислоты — важнейший этап активации врожденного антивирусного иммунитета у животных. Один из рецепторов, узнающих двунитевую ДНК в цитоплазме, получил название cGAS (cyclic GMP-AMP synthase), поскольку после связывания мишени начинает синтезировать циклический динуклеотид cGAMP (циклический гуанозинмонофосфат-аденозинмонофосфат, цГАМФ) из АТФ и ГТФ. cGAMP в свою очередь запускает сигнальный каскад, который активирует синтез интерферонов, необходимых в борьбе с вирусом [17].
Ученые из Weizmann Institute of Science в Израиле проанализировали 38 167 микробных геномов и обратили внимание, что из 637 прокариотических гомологов гена cGAS 417 (65,5%) находятся в защитных островках в составе оперона из 2–4 генов (рис. 1) [18]. Предположив, что такая локализация может указывать на антифаговую активность, они решили проверить, будет ли cGAS обеспечивать иммунитет штамму E. coli, в норме не содержащему такой системы. Для этого были выбраны два оперона: один из штамма E. coli TW11681, а другой из холерного вибриона Vibrio cholerae El Tor. Оказалось, что оба оперона повысили устойчивость лабораторного штамма E. coli к некоторым бактериофагам, то есть действительно функционируют как защитная система. Ученые дали этой системе название CBASS (cyclic-oligonucleotide-based antiphage signalling system).
Рисунок 1. Опероны, кодирующие cGAS, находятся в защитных островках. Желтым показаны известные системы противофаговой защиты.
Теперь предстояло понять механизм действия CBASS. Первым делом исследователи проверили, появляется ли cGAMP в клетках с CBASS в ответ на фаговую инфекцию. Для этого они проанализировали состав клеточных лизатов методом масс-спектрометрии. Как и предполагалось, cGAMP обнаружился только в клетках, содержащих систему CBASS, и только после заражения фагом.
Интересно, что в обоих исследованных оперонах ген cGAS соседствовал с геном фосфолипазы CapV, которая активируется cGAMP’ом и расщепляет липиды клеточной мембраны. Выходит, что зараженная вирусом бактерия включает систему самоубийства.
Такое поведение — не редкость в мире прокариот: известен целый класс антифаговых систем под названием Abi (abortive infection), принцип действия которых заключается в том, что клетка, обнаружив фаговую инфекцию, совершает суицид до того, как фаг успеет размножиться. Таким образом, ценой жизни одной клетки достигается защита целой популяции.
Для доказательства функционирования CBASS по механизму абортивной инфекции клетки смешали с разными концентрациями фаговых частиц. В случае, когда на пять бактериальных клеток приходилась одна фаговая частица (multiplicity of infection, MOI = 0,2), то есть зараженной оказывалась лишь часть клеток, популяция бактерий, обладающих CBASS, успешно справлялась с инфекцией, а когда концентрация фаговых частиц вдвое превышала концентрацию бактерий (MOI = 2), то есть заражались сразу все клетки, лизис культуры произходил еще быстрее, чем в штамме без CBASS (рис. 2). Это означает, что суицидальная система CBASS в первом случае спасла популяцию от полного уничтожения, а во втором спровоцировала немедленную гибель всех клеток в культуре.
Рисунок 2а. Графики роста культуры E. coli в зависимости от наличия CBASS и фаговой инфекции
Рисунок 2б. Схема действия CBASS: в ответ на заражение cGAS продуцирует cGAMP, который включает фосфолипазу, разрушающую клеточную мембрану
Хотя ученым и удалось обнаружить новую защитную систему прокариот, многое всё еще непонятно. Во-первых, остается загадкой, что является триггером для активации cGAS. Вряд ли это двунитевая ДНК, как у эукариот, ведь у прокариот ядра нет, и отличить геномную ДНК от вирусной не так-то просто. Во-вторых, неясно, во всех ли случаях CBASS ведет себя как система абортивной инфекции. Дело в том, что вместо фосфолипазы в состав CBASS могут входить другие белки с неизвестной активностью.
Так или иначе, cGAS заслужил место в ряду белков, вовлеченных в антивирусную защиту у представителей и прокариот, и эукариот.
Виперины — универсальная защита против вирусных РНК-полимераз
Виперин — один из белков, продуцируемый клетками животных в ответ на обработку интерферонами. Известно, что виперин подавляет репликацию многих вирусов за счет продукции ddhСTP (3′-deoxy-3′4′-didehydro-CTP, 3′-дезокси-3′4′-дидегидро-ЦТФ, ддгЦТФ) — производного одного из четырех нуклеотидов, из которых РНК-полимеразы строят РНК. ddhCTP узнается вирусными РНК-полимеразами и включается в состав РНК, но из-за отсутствия 3′-концевого гидроксила фермент не может продолжить синтез. Один из вирусов, с которым борется человеческий виперин — печально известный вирус Зика , [19].
Всё те же исследователи из Израиля заметили, что некоторые гомологи виперинов у прокариот кодируются генами, находящимися в защитных островках (рис. 3) [22]. Для подтверждения их участия в борьбе с вирусами ученые помещали гены 59 представителей прокариотических виперинов в лабораторный штамм E. coli и проверяли, придают ли они устойчивость к фаговым инфекциям. Около половины исследуемых белков показали хорошие результаты в защите от целого ряда фагов, что позволило заявить об открытии новой антивирусной системы прокариот.
Рисунок 3. Прокариотические виперины локализуются в защитных островках. Желтым выделены гены известных систем противофаговой защиты.
Для выяснения механизма работы виперинов ученые вновь прибегли к масс-спектрометрическому анализу клеточных лизатов после заражения фагом Т7. На этот раз искали ddhСTP, но нашли не только его: оказалось, что разные прокариотические виперины синтезируют производные разных нуклеотидов: ЦТФ, УТФ и ГТФ (рис. 4). Забавно, что среди продуктов виперинов не обнаружили производных АТФ. Сами авторы работы предполагают, что это связано с несовершенством системы детекции.
Рисунок 4. Филогенетическое дерево виперинов. Обозначены человеческий виперин и исследованные в работе прокариотические виперины, а также их субстратная специфичность.
Чтобы проверить эффект виперинов на работу фаговой РНК-полимеразы, исследователи экспрессировали под контролем промотора фага Т7 ген зеленого флуоресцентного белка GFP в клетках E. coli, кодирующих РНК-полимеразу фага Т7, и наблюдали, что клетки флуоресцируют. Но если в таких клетках экспрессировать один из генов виперинов, GFP не синтезируется (рис. 5).
Рисунок 5. Виперины подавляют активность РНК-полимеразы Т7 in vivo. МоаА — отрицательный контроль. В присутствии виперинов снижается экспрессия гена GFP, находящегося под контролем промотора Т7-РНК-полимеразы.
Полученные данные подтверждают, что прокариотические виперины борются с вирусами по тому же принципу, что и виперины животных. Хотя правильнее будет сказать, что виперины животных работают как прокариотические: филогенетический анализ свидетельствует о том, что эукариотические виперины — лишь небольшая веточка на разветвленном дереве этого белкового семейства (рис. 4).
Микробы — это модно
Людям свойственно интересоваться прежде всего собой, и уж если не видом Homo sapiens, то хотя бы животными или на худой конец растениями. Однако во все времена находились энтузиасты, исследующие необъятный мир микробов. Может, этим энтузиастам следует заняться какими-то действительно важными проблемами? Неужели мы уже все болезни научились лечить? Только вот без любителей микробов не было бы у нас ни эндонуклеаз рестрикции для клонирования, ни термофильных ДНК-полимераз для ПЦР, ни CRISPR-Cas для редактирования геномов. Если хорошенько поискать, то у прокариот непременно найдется еще много интересного и полезного! А искать сейчас удобно как никогда: информация о новых секвенированных геномах поступает непрерывным потоком, только успевай анализировать. Исследования в области прокариотических систем защиты от фагов — отличный пример такого поиска. Открытие новых антивирусных систем, общих для бактерий, архей и эукариот, показывает, что можно узнавать что-то новое про нас с вами, изучая захватывающе разнообразный мир микробов.
• Хотя на теле человека или в его организме обитает много микробов, лишь небольшая их часть представляет собой патогенные бактерии
• Патогенные бактерии способны заселять ткани организма хозяина, а также размножаться и существовать в них
• Многие патогенные микроорганизмы продуцируют токсины, которые усугубляют поражение клеток организма хозяина
Организм животных содержит достаточное количество питательных веществ и обеспечивает поддержание относительно стабильных значений pH, осмотического давления и температуры. Это создает оптимальную среду для роста разнообразных прокариот. Тесные биологические взаимоотношения, существующие между двумя различными организмами, например между микробами и клетками хозяина, называются симбиотическими. В зависимости от степени выгоды или вреда, симбиоз между хозяином и микробом может быть взаимным, комменсальным паразитическим или патогенным. Эндосимбиоз рассматривался в предыдущем разделе.
Абсолютное большинство прокариот, находящихся в симбиотических отношениях с другими клетками, являются комменсальными резидентами, которые или слабо влияют на организм хозяина, или вообще не оказывают на него никакого влияния. Некоторые комменсальные обитатели оказываются полезными, и в некоторых случаях выполняют нужные функции в организме хозяина. Например, штаммы Е. coli, содержащиеся в желудочно-кишечном тракте, помогают пищеварению.
Микробы, растущие в организме, и не приносящие ему пользы называются паразиты. Некоторые из таких паразитических взаимоотношений оказываются вредными для организма хозяина. Микробы, которые причиняют вред организму хозяина, называются патогенными, и их способность заселять организм и вызывать заболевания является результатом многих факторов как со стороны организма хозяина, так и со стороны микроорганизмов. Патогенные микроорганизмы подразделяются на оппортунистические и первичные. Оппортунистические бактерии вызывают инфекции только при поражениях организма, например при тяжелых ожогах, СПИДе, и у некоторых раковых больных.
Первичные патогены вызывают заболевание нормального, здорового организма, и иногда их размножение полностью зависит от самого организма хозяина. Независимо от типа патогена, вызывающего инфекцию, микроб должен проникнуть в организм хозяина, заселить его, избежать атаки со стороны иммунной системы, и начать размножаться. Наряду с этим, первичные патогены должны подготовиться к передаче инфекции к другому хозяину.
До того как патоген вызовет повреждения в организме хозяина, он должен получить доступ к его тканям и начать размножаться. Места первичной инфекции обычно представляют собой открытые участки, например на коже или участки слизистой дыхательного, мочеполового и кишечного эпителия. На поверхности микробных клеток экспрессируются несколько разных молекул, которые связываются с рецепторами, присутствующими в тканях хозяина. Эти адгезивные молекулы представляют собой полисахариды или белки. Например, Streptococcus mutans посредством своей полисахаридной капсулы адсорбируется на поверхности зубной эмали и вызывает кариес.
Для прикрепления к клеткам тканей хозяина, многие микробы используют такие поверхностные белковые структуры, как пили. Наличие таких адгезивных органелл часто обеспечивает патогену вирулентность, и при их отсутствии микроорганизмы оказываются неспособными вызвать инфекцию; они обычно уничтожаются и выводятся из организма.
Существует несколько типов симбиотических взаимоотношений.
В зависимости от этого, симбиоз может оказаться полезным или вредным для организма хозяина.
Прикрепление микробов к тканям представляет собой тканеспецифичный процесс и зависит также от вида бактерий. Специфичность по отношению к определенным тканям обычно называют тропностыо. Например, микроб, вызывающий гоноррею, Neisseria gonorrhoeae, прочно прикрепляется к эпителию мочеполовой системы и почти не связывается с эпителиальными клетками другой локализации. К числу примеров иллюстрирующих специфичность связывания, в зависимости от вида бактерий, относится связывание с клетками почечного эпителия штамма Е. coli, вызывающего пиелонефрит. Эти штаммы обладают одной из трех разновидностей Р-ворсинок, каждая из которых специфична в отношении почечного эпителия человека, собаки или крысы.
Некоторые бактериальные патогены заселяют эпителий, вызывая инфекцию. Такая инвазия дает микробам доступ к питательным продуктам, которые поддерживают их размножение. Попадание через эпителий в кровеносные сосуды позволяет бактериям расти не только в местах первоначального заселения, но и в более отдаленных. Системные инфекции часто являются результатом проявления активности патогена, получившего доступ в кровь или лимфатическую систему, при инвазии эпителиального слоя.
Поскольку первоначальный очаг заражения редко бывает достаточно обширным, патоген должен размножиться в организме, чтобы вызвать ощутимые последствия. Ткани организма хозяина являются подходящим местом для роста бактерий. Однако в тканях существует недостаток некоторых необходимых питательных компонентов, и патогенные микроорганизмы должны быть способны более эффективно использовать имеющиеся ресурсы и в то же время противостоять атакам со стороны иммунной системы хозяина. Преимуществом обладают бактерии, способные использовать сложные источники питания, например гликоген. Патогены могут конкурировать с клетками организма хозяина за микроэлементы, например за железо.
В клетках животных есть два белка, трансферрин и лактоферрин, которые связывают и переносят железо. Таким образом в тканях организма хозяина находится очень мало свободной формы железа. Для обхода этой системы у патогенных бактерий существуют эффективные комплексы, хелатирующие железо, которые называются сидерофоры. Они помогают им накапливать железо из окружающей среды.
Патогенные бактерии продуцируют множество вирулентных факторов, которые помогают им инфицировать организм хозяина и поддерживать патологический процесс. К числу грамположительных патогенов относятся Streptococci, Staphylococci и Pneumococci, которые продуцируют ферменты, расщепляющие полисахариды клетки хозяина, что дает возможность инфекции распространяться по тканям. Clostridium является продуцентом коллагеназы, которая деполимеризует коллагеновые структуры, скрепляющие ткани хозяина, в результате чего микроб распространяется по организму. Streptococcus pyogenes распространяется по тканям благодаря действию стрептокиназы, которую продуцирует этот микроорганизм. Стрептокиназа ослабляет фибриновые структуры клеток и тканей хозяина, препятствующие распространению патогена.
Наоборот, некоторые патогены способны локализоваться (образовывать защитную оболочку вокруг своей клетки) за счет продуцирования ферментов, обеспечивающих образование фибринового сгустка. К числу хорошо известных ферментов такого типа относится коагулаза, продуцируемая Staphylococcus aureus. Микроорганизмы, продуцирующие коагулазу, покрываются фибриновой оболочкой, и считается, что она предохраняет микроб от действия защитных систем организма хозяина.
Наряду с попаданием бактерий и их размножением поражение организма хозяина усиливается под действием бактериальных токсинов. Выделяемые токсины называются экзотоксинами, и они способны повреждать ткани, расположенные далеко от места первичной инфекции. По механизму действия экзотоксины можно подразделить на три группы. Цитолитические экзотоксины, например гемолизин, действуют на цитоплазматические мембраны клеток организма хозяина и вызывают их лизис. Штаммы бактерий, обладающие гемолитическим действием, легко идентифицируются при выращивании на агаре, содержащем кровь. При выделении гемолизина происходит лизис эритроцитов, что приводит к образованию белых участков на фоне красного агара. Представителем второй группы экзотоксинов является токсин, продуцируемый Corynebacterium diphtheriae, который вызывает заболевание дифтерией.
Когда Corynebacterium попадает в среду с низким содержанием железа (что свидетельствует о попадании бактерии в организм хозяина), она начинает секретировать дифтерийный токсин, который попадает в клетки организма хозяина и вызывает остановку трансляции. К третьей группе относятся нейротоксины, включая ботулинический токсин, продуцируемый Clostridiun botulinum. Для человека это наиболее токсичный из известных токсинов. Ботулинический токсин блокирует высвобождение ацетилхолина из нервных клеток, что приводит к необратимому расслаблению мышц и к параличам.
Каждый патогенный микроорганизм использует свои детерминанты вирулентности, вызывающие то или иное инфекционное заболевание. Для микроорганизмов, продуцирующих сильные токсины, начальная степень инвазии и темпы размножения микробов не играют критической роли. Например, Clostridium tetani не относится к инвазивным микроорганизмам, поскольку продуцирует мощный токсин. Инфекция С. tetani часто приводит к смертельному исходу. В то же время Streptococcus pneumoniae не продуцирует токсин однако из-за высоких темпов размножения микроорганизма в легочной ткани инфекции оказываются смертельными. Большие количества бактерий в ткани легких ослабляют иммунную систему организма и вызывают пневмонию. Исследование механизмов вирулентности прокариот обеспечивает разработку новых терапевтических средств для борьбы с инфекционными заболеваниями.
Динамика взаимоотношений организма хозяина с патогенными микробами представляет собой бурно развивающуюся область исследований.
Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021
Бактерии. Прокариоты. Эукариоты. Различия между прокариотической и эукариотической клетками. Архебактерии. Эубактерии.
Бактерии [от греч. bakterion, уменьш. от baktron, трость, посох] — представители царства Procariotae, включающего бактерии и сине-зелёные водоросли. Бактерии крупнее вирусов, большинство из них можно изучать светооптической микроскопией. Прокариотическая клетка меньше эукариотической, ДНК в ней не окружена ядерной мембраной, а органеллы типа митохондрий и хлоропластов отсутствуют.
Клетки бактерий окружены особо организованной клеточной стенкой, имеют ограниченное число отделов (компартментов) либо вообще лишены их (рис. 2-4). Они также имеют различия в синтезе ДНК, белков и продуктов клеточной стенки (табл. 2-1). Все известные бактерии разделяют на архебактерии (то есть древние бактерии) и эубактерии (к которым относят большинство современных видов).
Рис. 2-4. Основные различия между прокариотической и эукариотической клетками. Бактериальная (прокариотическая) клетка (А) окружена клеточной стенкой (КС). Цитоплазма обильно насыщена рибосомами (Р). Молекула ДНК обычно расположена в центре клетки. Цитоплазма эукариотической клетки (Б) окружена цитоплазматической мембраной (ЦПМ), включает митохондрии (М), вакуоли (В), шероховатую эндоплазматическую сеть с рибосомами (ШЭС), гладкую эндоплазмати-ческую сеть (ГЭС), запасные гранулы (ЗГ) и ядро (Я).
Архебактерии
Архебактерии [от греч. arche, начало + бактерия] обитают в биотопах с экстремальными условиями. Вероятно, эти биотопы напоминают существовавшие на заре развития жизни на Земле. К архебактериям относят метанобразующие бактерии, экстремально галофильные бактерии (растут в присутствии 12-32% NaCl) и термоацидофильные бактерии (растут при 75-90 °С и низком рН).
Таблица 2-1. Основные различия клеток прокариотов (эубактерий) и эукариотов
Эубактерии
Большинство эубактерий — свободноживущие сапрофиты, но среди них имеются виды, вызывающие заболевания у растений и животных. Значительная часть патогенных бактерий способна покрывать свои энергетические и метаболические потребности путём расщепления различных субстратов. Их можно выращивать на синтетических средах.
Информация на сайте подлежит консультации лечащим врачом и не заменяет очной консультации с ним.
См. подробнее в пользовательском соглашении.
Читайте также: