Молекулярные аспекты адаптации прокариот

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ




Е. В. Ермилова




МОЁЕКУЁЯРНЫЕ
АСПЕКТЫ АДАПТАЦИИ ПРОКАРИОТ











Санкт-Петербург
ХИМИЗДАТ

2024

УДК 579.22-25
ББК 28.4
     Е732



Рецензенты: д-р биол. наук, проф. М. Ф. Шишова (СПбГУ); д-р биол. наук, проф. С. Н. Борхсениус (Институт цитологии РАН)


Печатается по постановлению
     Редакционно-издательского совета биолого-почвенного факультета
С.-Петербургского университета




        Ермилова Е. В.

Е 732          Молекулярные аспекты адаптации прокариот. - 2-е изд., пере-
         раб. и доп. - СПб.: ХИМИЗДАТ, 2024 , изд.2-е, стереот.- 344 с. + 8 с. цв. вкл.: ил.
        ISBN 978-5-93808-435-3

              Во втором издании монографии обобщены и систематизированы последние достижения микробиологии, молекулярной биологии и генетики в области изучения адаптации прокариот к внешним факторам среды на молекулярном уровне. Обсуждаются механизмы и принципы регуляции основных молекулярно-генетических процессов на примере адаптации прокариот к недостатку или отсутствию в среде питательных компонентов (I часть) и действию основных физико-химических факторов, характеризующих условия среды их обитания (II часть). Отдельные главы посвящены подробному описанию основных этапов адаптации бактерий и архей к различным факторам среды, на примере которых рассматриваются фундаментальные вопросы современной биологии прокариот: организация систем восприятия и внутриклеточной передачи сигналов; механизмы, контролирующие транскрипцию, трансляцию и посттрансляционную модификацию; системы репарации ДНК; фолдинг и созревание белков. Подробно характеризуются ключевые компоненты регуляторных систем, действующие на основных уровнях контроля экспрессии генов как двухкомпонентные системы; сигма-факторы и анти-сигма-факторы; регуляторы, аллостерически контролируемые небольшими молекулами или редокс-реакциями; антисмысловые РНК. Особое внимание уделено анализу молекулярных механизмов, обеспечивающих внутриклеточную интеграцию различных внешних сигналов и функционирование прокариотной клетки как целого организма. В каждой главе дополнительно рассматриваются примеры молекулярных механизмов адаптации прокариот, выживающих в экстремальных условиях.
              Предназначена для студентов и аспирантов биологических факультетов, а также специалистов в области микробиологии, молекулярной биологии, генетики.

На обложке использован рисунок из статьи S. Walter (2002).
CMLS. 59, с разрешения Birkhauser Verlag


Без объявл.                                         ББК 28.4

      050(01)-24


1905000000-007
Е ----------------

ISBN 978-5-93808-435-3

                                                   © Ермилова Е. В., 2012
                            © ХИМИЗДАТ, 2012, 2024

        ОГЁАВЁЕМЕ

Предисловие                                                               5

ЧАСТЬ I
ПИТАТЕЛЬНЫЕ ВЕЩЕСТВА

Глава 1. АДАПТАЦИЯ ЭВТРОФОВ К СУБОПТИМАЛЬНЫМ КОНЦЕНТРАЦИЯМ                11
       ПИТАТЕЛЬНЫХ СУБСТРАТОВ
    1.1. Углерод                                                            12
    1.2. Азот                                                               15
  1.2.1. Грамотрицательные бактерии                                         15
  1.2.2. Грамположительные бактерии                                         35
    1.3. Фосфор                                                             37
    1.4. Железо и другие микроэлементы                                      40

Глава 2. АДАПТАЦИЯ ЭВТРОФОВ К УСЛОВИЯМ ГОЛОДАНИЯ                            54
    2.1. Недифференцирующиеся бактерии                                      54
  2.1.1. Строгий ответ                                                      56
  2.1.2. Стационарная фаза                                                  60
    2.2. Дифференцирующиеся бактерии                                        75
  2.2.1. Эндоспоры                                                          76
  2.2.2. Генетическая компетентность                                        94
  2.2.3. Плодовые тела и миксоспоры миксобактерий                           99
  2.2.4. Экзоспоры стрептомицетов                                          108

Глава 3. АДАПТАЦИЯ ОЛИГОТРОФОВ К НИЗКИМ КОНЦЕНТРАЦИЯМ                      121
       ПИТАТЕЛЬНЫХ СУБСТРАТОВ

ЧАСТЬ II
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ СРЕДЫ

Глава 4. ОСМОАДАПТАЦИЯ                                                     127
    4.1. Осмоадаптация в ответ на увеличение осмолярности окружающей среды 128
  4.1.1. KCl-тип осмоадаптации                                             129
  4.1.2. Осмоадаптация с использованием органических осмолитиков           132
    4.2. Осмоадаптация в ответ на снижение осмолярности окружающей среды   152

Глава 5. АДАПТАЦИЯ К ТЕМПЕРАТУРЕ                                           158
    5.1. Мезофилы                                                          158
  5.1.1. Регулируемая температурой экспрессия генов                        158
  5.1.2. Тепловой шок                                                      162
  5.1.3. Холодовой шок                                                     184
    5.2. Термофилы и экстремальные термофилы                               189
  5.2.1. Характеристика группы и основные представители                    189
  5.2.2. Физиолого-биохимические и молекулярные аспекты термофилии         190
  5.2.3. Использование термофильных ферментов в молекулярной биологии      194
    5.3. Психрофилы                                                        194
  5.3.1. Характеристика группы и основные представители                    194
  5.3.2. Физиолого-биохимические и молекулярные аспекты психрофилии        196
  5.3.3. Явление кристаллизации льда и его использование в молекулярной    200
       биологии и биотехнологии

3

Глава 6. АДАПТАЦИЯ К СОДЕРЖАНИЮ КИСЛОРОДА В СРЕДЕ                           203
    6.1. Регуляция кислородом типа метаболизма                              203
   6.1.1. Регуляция аноксигенного фотосинтеза                               203
   6.1.2. Регуляция переключения между аэробным и анаэробным метаболизмом   205
    6.2. Окислительный стресс                                               209
   6.2.1. Компоненты окислительного стресса и природа повреждений клеток    209
   6.2.2. Системы защиты от перекиси водорода                               211
   6.2.3. Системы защиты от супероксидного аниона                           214
   6.2.4. Аконитаза как сенсор окислительного стресса/голодания по железу   215

Глава 7. АДАПТАЦИЯ К КОНЦЕНТРАЦИИ ИОНОВ ВОДОРОДА В СРЕДЕ                    217
    7.1. Нейтрофилы                                                         217
   7.1.1. Механизмы адаптации нейтрофилов к низким значениям рН             217
   7.1.2. Механизмы адаптации нейтрофилов к высоким значениям рН            230
    7.2. Ацидофилы и алкалофилы                                             233

Глава 8. АДАПТАЦИЯ К ДЕЙСТВИЮ ИЗЛУЧЕНИЙ                                     238
    8.1. Видимый свет                                                       238
    8.2. Ультрафиолетовое излучение                                         243
    8.3. Ионизирующие излучения                                             250

Глава 9. АДАПТАЦИЯ К ВЫСОКОМУ ГИДРОСТАТИЧЕСКОМУ ДАВЛЕНИЮ                    257
    9.1. Характеристика пьезофилов                                          257
    9.2. Макромолекулы пьезофилов                                           259
    9.3. Регуляция давлением экспрессии генов                               260

Глава 10. АДАПТАЦИЯ К ТОКСИЧНЫМ КОНЦЕНТРАЦИЯМ ИОНОВ                          263
         МЕТАЛЛОВ
     10.1. Механизмы резистентности к ртути                                  264
   10.1.1. Компоненты систем резистентности к ртути                          264
   10.1.2. Регуляция mer-генов                                               266
     10.2. Механизмы резистентности к мышьяку                                268
     10.3. Механизмы резистентности, основанные на выводе ионов тяжелых      269
         металлов из клеток
   10.3.1. Белки RND-семейства                                              269
   10.3.2. Белки CDF-семейства                                              271
   10.3.3. АТРазы Р-типа                                                    271
     10.4. Механизмы резистентности к меди и серебру                        273

Глава 11. АДАПТАЦИЯ К ТОКСИЧНОМУ ДЕЙСТВИЮ ОРГАНИЧЕСКИХ                      279
         СОЕДИНЕНИЙ
     11.1. Специфичные системы защиты к действию антибиотиков                279
     11.2. Системы множественной резистентности к действию токсичных         286
         соединений
   11.2.1. Вторичные транспортеры                                           286
   11.2.2. АВС-транспортеры                                                 295
     11.3. Локализация детерминант резистентности                           296
     11.4. Персистеры                                                       298
     11.5. Роль биопленок в резистентности бактерий                         300
   11.5.1. Формирование биопленок                                           300
   11.5.2. Механизмы резистентности биопленок к антимикробным соединениям   302
Указатель литературы                                                         305

        ПРЕДИСЁОВИЕ

     Прокариоты — бактерии и археи — распространены повсеместно. Физикохимические условия обитания различных представителей варьируют в широких пределах — от районов активного вулканизма до ледников Антарктики и Гренландии. Появление организмов со столь разнообразными требованиями к среде обитания тесно связано с важнейшим биологическим процессом — процессом адаптации. Под этим феноменом понимают совокупность морфофизиологических, поведенческих, генотипических, популяционных и других особенностей данного вида, обеспечивающих возможность специфического образа жизни в определенных условиях внешней среды. Адаптацией называют также сам процесс выработки организмами приспособлений к условиям определенной среды существования. Триггером процесса адаптации является любое внешнее воздействие, нарушающее состояние гомеостаза организма и вызывающее его переход в новое состояние. Часто такие внешние воздействия рассматривают как неблагоприятные или стрессовые.
     Стрессовым воздействиям подвержены все живые организмы, включая микроорганизмы. Однако возникает вопрос — что такое состояние стресса для прокариот? Достаточно сложно дать универсальное определение стресса, т. к. восприятие внешнего воздействия как стрессового зависит от свойств индивидуальных организмов, и зачастую «оптимальные» условия культивирования в лаборатории не совпадают с условиями природных экотопов, в которых микроорганизмы проявляют значительную метаболическую активность. При обсуждении молекулярных механизмов, позволяющих прокариотам адаптироваться к различным факторам среды, мы будем рассматривать в качестве стрессового состояния (или стресса) любое отклонение от роста, характерного для микроорганизма при «оптимальных» (лабораторных) условиях, которое выражается в замедлении или полной его остановке.
     По характеру клеточного ответа можно выделить несколько уровней внешнего воздействия: при минимальном - рост микроорганизма обычно сохраняется и его клетки полностью адаптируются к новым условиям; при более интенсивном -рост существенно замедляется, но клетки еще способны адаптироваться к изме-

5

нившейся ситуации, хотя со значительными энергетическими и биосинтетическими затратами; при экстремальном - рост и размножение полностью прекращаются и клетки прокариот тратят все свои ресурсы на процесс выживания; наконец, при летальном - может происходить гибель многих индивидуумов, но при этом инициируются механизмы, ведущие к выживанию популяции. Однако регуляторные принципы, лежащие в основе ответов на разные по силе внешние воздействия, в целом сохраняются.
     Изучение молекулярных механизмов адаптации уже привело к пониманию целого ряда фундаментальных вопросов, касающихся биологии прокариот. Обнаружены ключевые компоненты, участвующие в регуляции экспрессии генов при изменяющихся условиях среды. К ним следует отнести двухкомпонентные регуляторные системы; сигма-факторы и анти-сигма-факторы; регуляторы, ал-лостерически контролируемые небольшими молекулами или редокс-реакциями; особый класс регуляторных молекул - малые РНК. Открыты механизмы, контролирующие трансляцию и протеолиз ключевых регуляторов. Действие целого комплекса постоянно меняющихся физико-химических параметров среды является нормой для прокариот, находящихся в природных экотопах. В связи с этим изучение молекулярных аспектов адаптации к действию стрессоров вносит ощутимый вклад в вопросы физиологии, биохимии и генетики прокариот, и понимание целого ряда ключевых процессов (таких как репарация ДНК и фолдинг белков) стало возможным именно благодаря изучению структуры, функций и регуляции экспрессии стрессовых белков.
     В мире каждый год описываются все новые и новые представители бактерий и архей, открываются новые гены, белки и метаболические процессы. Все эти данные призваны внести ясность в наше понимание адаптационных механизмов, позволяющих прокариотам заселять различные, часто недоступные для других организмов экологические ниши. Однако лавинообразный характер накопления научной информации часто размывает целостное представление о прокариотной клетке как едином регуляторном комплексе. В связи с этим во втором издании книги сделана попытка обобщить и систематизировать современные представления о молекулярной адаптации прокариот, суммировать информацию о различных представителях и разных системах, акцентируя при этом внимание на тех молекулярных механизмах, которые обеспечивают функционирование прокариотной клетки как целого организма.
     Монография посвящена анализу механизмов и принципов регуляции основных молекулярно-генетических процессов, обуславливающих адаптациию прокариот к среде обитания, и состоит из двух частей. В первой части обсуждаются 6

молекулярные аспекты адаптации к такому важному фактору среды, как питательные вещества. При этом основное внимание уделяется регуляторным системам свободноживущих бактерий. При попадании бактериальных клеток в среды с субоптимальными концентрациями тех или иных питательных субстратов происходит перестройка метаболических процессов, которая направлена на сохранение функциональной активности микроорганизмов и не сопровождается нарушением роста. Однако в природных экотопах бактерии, как правило, лимитированы по доступным для них питательным компонентам и существуют в условиях, когда оптимальным является прекращение роста. В этом случае инициируется глобальный, или общий, клеточный ответ на стрессовые воздействия (например, переход в стационарную фазу роста и спорогенез), который обычно контролируется одним или немногими ключевыми мастер-регуляторами (такими как OS- и OB-факторы или SpoOA), а индуцируемые в этих случаях гены кодируют белки, имеющие защитные функции широкого спектра действия, и часто обеспечивают перекрестную резистентность к разным специфическим стрессорам.
     Во второй части книги рассматривается молекулярная адаптация к действию факторов, характеризующих физико-химические условия среды обитания прокариот, таких как осмолярность, температура, кислотность среды, концентрация кислорода и др. Воздействие факторов среды инициирует ответы, направленные на адаптацию к специфической ситуации, например индукцию белков для удаления стрессового агента или репарацию клеточного повреждения, вызванного стрессором. Адаптация подобного типа, как правило, позволяет микроорганизмам продолжить рост или по крайней мере выжить в присутствии специфического стрессора, но в целом не обеспечивает приспособления к другим неблагоприятным факторам, например отсутствию питательных субстратов. Вместе с тем в природных экотопах прокариоты подвержены одновременному воздействию нескольких стрессоров, и все больше данных указывают на то, что регуляция ответов на разные по природе внешние физико-химические факторы в клетках тесно взаимосвязана. На это указывает, в частности, высокая степень интеграции механизмов внутриклеточной передачи сигналов, многофункциональность некоторых белков и плейотропность действия многих генов. В этой части монографии приводится также сравнительный анализ механизмов адаптации прокариот, выживающих в условиях, отличающихся по одному или нескольким параметрам от повсеместно распространенных и поэтому называемых экстремальными условиями. Характеристика экстремофильных прокариот (или экстремофилов) позволяет приблизиться к пониманию удивительной приспособленности различных представителей бактерий и архей к таким значениям физико-химических

7

факторов, которые вызывают необратимые изменения биомолекул у большинства живых организмов.
     Хотя многие из молекулярных механизмов адаптации ясны, мы еще далеки от полного понимания этого процесса. Вероятно, будут обнаружены новые стратегии адаптации к стрессовым факторам, особенно экстремальным или потенциально летальным. В связи с этим станут неоценимыми новые открытия неизвестных пока условий жизни прокариот в биосфере. Надеюсь, что эта книга поможет очертить круг существующих проблем в области молекулярных аспектов адаптации прокариот и привлечет внимание к нерешенным вопросам.
     В заключение хочется выразить особую признательность моим коллегам, ведущим специалистам в различных областях молекулярной адаптации прокариот в нашей стране и за рубежом, которые предоставили мне иллюстративный материал и приняли участие в обсуждении отдельных разделов книги - их имена указаны в подписях к соответствующим рисункам. Приношу также свою глубокую благодарность сотрудникам лаборатории адаптации микроорганизмов Санкт-Петербургского государственного университета Татьяне Викторовне Лапиной, Жаннете Михайловне Залуцкой и Екатерине Сергеевне Минаевой за их неоценимую помощь в оформлении монографии. С благодарностью приму любую конструктивную критику, а также все пожелания и замечания.


Е. В. Ермилова

    Многие экологические ниши, в которых обитают прокариоты, довольно бедны в отношении питательных субстратов. Для сравнительной характеристики различных сред обитания часто используют такую величину, как поток органического углерода (мг/л в день). Например, мясопептонный бульон содержит порядка 40000 мг углерода на литр, а морская вода - всего 0,5-0,8 мг углерода на литр, причем углерод в ней содержится большей частью не в виде отдельных соединений, а в сложных комплексах, часто не подверженных биодеградации. Соли фосфора и железа зачастую также малодоступны для микроорганизмов из-за низкой степени их растворимости. Более загрязненные водоемы или прибрежные воды морей и океанов часто могут содержать большие количества соединений, но и в этих случаях содержание углерода не превышает обычно 15-20 мг/л. Концентрации питательных веществ низки также во многих почвах, на поверхностях различных предметов и сооружений или в желудочно-кишечном тракте голодающих хозяев. Все это привело к тому, что в процессе эволюции у прокариот появились механизмы, позволяющие им сохранять свою жизнеспособность и при низких концентрациях питательных субстратов. Эти механизмы изучены главным образом у бактерий, поскольку присутствие архей во многих экологических нишах показано пока только с помощью молекулярно-биологических методов.
    Можно выделить два основных типа стратегии при адаптации бактерий к недостатку питательных субстратов и, соответственно, две группы бактерий: эвтрофы и олиготрофы (489). Копиотрофы (от греч copiosus - изобилие, trophe -пища), или эвтрофы (от греч. eutrophia - хорошее питание), предпочитают богатые пищевыми веществами среды и адаптированы к быстрому использованию питательных ресурсов. Выживание таких бактерий в природе в условиях низких концентраций питательных веществ определяется появлением новых компонентов - продуктов генов, экспрессирующихся в стрессовых для клеток-эвтрофов условиях недостатка питательных субстратов или их отсутствия. Бактерии, названные олиготрофами (от греч. oligos - малый, trophe - пища), обитают в основном в условиях с низкими концентрациями питательных веществ, и их метаболизм адаптирован к существованию в таких условиях. Олиготрофы обычно способны размножаться при содержании углерода менее 0,1 мг/л. Мы рассмотрим принципы адаптации эвтрофов и олиготрофов к условиям низкого содержания в средах питательных субстратов.

Гёава 1. АДАПТАЦИЯ ЭВТРОФОВ К СУБОПТИМАЁ^ЫМ КО^Е^РАЦИЯМ ПИТАТЕЁЬ№1Х СУБСТРАТОВ


    В природе эвтрофы часто находятся в условиях низкого содержания в среде питательных субстратов. В одних случаях питательных веществ достаточно для поддержания дальнейшего роста бактерий и клетки полностью адаптируют свой метаболизм к изменившейся ситуации, тогда как в других случаях рост и размножение полностью прекращаются и бактериальные клетки тратят все свои ресурсы на процесс выживания [91, 241]. В дальнейшем при обсуждении двух указанных ситуаций мы будем использовать в первом случае термин субоптимальные концентрации питательных субстратов, а во втором — условия голодания. Следует подчеркнуть, что зачастую сложно определить четкую грань между культурой, испытывающей некоторый недостаток того или иного субстрата, и культурой, находящейся в состоянии голодания. Для E. coli, например, содержание глюкозы в среде около 0,3 мМ является субоптимальной концентрацией, при которой в клетках начинают происходить значительные изменения, направленные на адаптацию к изменившимся внешним условиям [172]. Адаптация клеток к условиям, воспринимаемым ими как голодание, происходит при гораздо более низких концентрациях глюкозы: ниже 10⁻⁶ М. Для разных эвтрофов границы концентраций питательных субстратов, определяющих переход от оптимальных для роста условий к субоптимальным условиям или же к условиям голодания, различны. Вместе с тем показано, что у всех изученных представителей в первом случае происходят изменения, направленные на расширение метаболического потенциала бактерий с целью восполнения недостатка питательных веществ, а во втором -изменения в морфологии и физиологии клеток, направленные на увеличение их резистентности с целью выживания в условиях стресса [327].
    Адаптация бактерий к субоптимальным концентрациям веществ может происходить в условиях, когда концентрация того или иного субстрата меняется от некоторого оптимального для микроорганизма значения до нулевого, соответствующего условиям голодания (рис. 1). При этом возможны ситуации, когда в среде нет других доступных бактериальным клеткам источников этого соединения (см. 1.1, 1.3) или в среде присутствуют другие источники необходимого элемента, менее предпочтительные для бактерий, находящихся в оптимальных условиях роста (см. 1.2). Возможен также вариант, когда нужное соединение не содержится в доступной форме, и в норме необходимы специальные механизмы для его извлечения и поглощения из среды (см. 1.4). В целом, физиологические изменения, которые позволяют бактериям оптимизировать использование имеющихся в окружающей среде субстратов - источников углерода и энергии, азота, фосфора и микроэлементов, - затрагивают внешнюю мембрану грамотрицательных бактерий, эффективность транспортных процессов в цитоплазматической мембране и центральные метаболические пути; экспрессия генов, продукты которых вовлечены в эти изменения, регулируется на всех основных уровнях реализации генетической информации.

11

Рис. 1. Основные условия содержания питательных субстратов в среде, определяющие различные типы адаптации бактерий к ним


        1.1. УГЁЕРОД


     Свободноживущие бактерии должны приспосабливаться к значительным флуктуациям концентраций питательных субстратов в окружающей среде. Анализ регуляторных процессов, контролирующих адаптацию бактерий к субоптимальным концентрациям углерода, часто затруднен и на молекулярном уровне изучен наиболее подробно на примере энтеробактерий. Для адаптации бактерий к средам с субоптимальными концентрациями соединений углерода, используемыми в метаболизме, особенно важна оптимизация процессов транспорта [171]. В связи с этим бактерии часто имеют несколько транспортных систем, характеризующихся различным сродством к тому или иному субстрату. В частности, такой тип стратегии используется клетками для переноса источников углерода и наиболее предпочтительных из них для многих бактерий - сахаров (рис. 2). У грамотрицательных бактерий системы с наибольшим сродством к сахарам состоят из периплазматического


Рис. 2. Три типа транспортных систем для переноса сахаров через цитоплазматическую мембрану:
S0 — сахар в среде; Si — сахар в цитоплазме; PTS — фосфоенолпируватзависимые фосфотрансфе-разные системы

12