МИКРОБИОЛОГИЯ БИОЛОГИЯ ПРОКАРИОТОВ ТОМ III - А. В. ПИНЕВИЧ - 2009

ГЛАВА 20. СИНЭКОЛОГИЯ

20.6. Эндобиоз

Термин «эндобиоз» (англ. endobiosis; от греч. endon — внутри и bios — жизнь; «жизнь внутри другого организма») используется по отношению к такой симбиотической системе, где младший партнер, в нашем случае прокариот, поселяется в теле животного или растения, но не проникает внутрь его клеток.

20.6.1. Эндобиоз бактерий с животными

Большинство эндобионтов животных поселяется в пищеварительном тракте. В норме у млекопитающих, птиц, насекомых и других животных эта система содержит бактерий на порядки больше, чем наружная поверхность тела. Иногда, например, у всеядных млекопитающих, соотношение собственных и бактериальных клеток составляет 1: 10, а у крупных особей масса эндобионтов достигает нескольких килограммов. Они способствуют полостному пищеварению хозяина, расширяя его пищевой рацион, а также снабжают его кофакторами метаболизма.

В обмен на выделяемые бактериями экзометаболиты, важнейшими из которых являются продукты гидролиза целлюлозы, витамины и незаменимые аминокислоты, хозяин предоставляет младшему партнеру богатую субстратами питательную среду. Кроме того, анаэробные эндобионты защищены от окислительного стресса.

Бактериальное сообщество пищеварительного тракта состоит из четырех компонентов. Первый компонент — это автохтонные мутуалисты и комменсалы, которые образуют специфические ассоциации с хозяином; примером служат непатогенные штаммы Bacteroides spp. и Е. coli. Второй компонент — это случайные мигранты, которые приходят из окружающей среды и не образуют с хозяином специфические ассоциации; в качестве примера можно привести сапрофитных актинобактерий. Третий компонент, который обнаруживается эпизодически как в пищеварительном тракте, так и в других системах животного — это аллохтонные сапрофиты и паразиты, которые развиваются при немикробном патогенезе клеток и тканей или сами вызывают повреждение. Четвертый, не обязательный компонент — это используемые в профилактических и лечебных целях пробиотики (от греч. pro — в защиту и bios — жизнь; в данном случае — «агенты защиты жизни животного»), в частности Bifidobacterium spp. и Lactobacillus spp., которые осуществляют биоконтроль, т. е. являются биологическими конкурентами патогенных бактерий.

Специфические ассоциации, возникшие в результате коэволюции эндобионта с хозяином, основаны либо на мутуализме и комменсализме, либо на паразитизме. По числу партнеров это либо бипартитный, либо мультипартитный эндобиоз.

Мутуалистический бипартитный эндобиоз. Характерным примером является ассоциация между светящейся бактерией Vibrio fischeri и ее хозяином — каракатицей Euprymnascolopcs. Бактериальная популяция оккупирует двухлопастной светящийся орган с многочисленными криптами, полости которых через поры сообщаются с окружающей морской водой. Благодаря бактериальной биолюминесценции (см. II том учебника) моллюск по ночам отпугивает хищников. Ассоциация имеет периодический характер, и ювенильные особи хозяина каждый раз заново инфицируются свободноживущими бактериями. Полости крипт регулярно опорожняются, а оставшиеся в них бактерии активно размножаются, так что квазистационарный размер популяции V. fischeri составляет 10⁶ -10⁹ клеток в зависимости от возраста хозяина. Биолюминесценция сложно контролируется на физиологическом уровне, а также генетически, путем позитивной регуляции оперона lux (см. раздел 18.4.2).

Мутуалистический мультипартитный эндобиоз. Примером служит анаэробное целлюлолитическое сообщество рубца жвачных животных или кишечника термитов. Это частный случай анаэробного деструктивного сообщества (см. II том учебника). Его субстратной основой является растительная целлюлоза, а микробными компонентами — главные обитатели пищеварительного тракта травоядных животных и термитов: целлюлолитические бактерии (Bacteroides cellulosolvens, Clostridium cellobioparum, Eubacterium cellulosolvens, Fibrobactersuccinogenes и др.), кислотообразующие бактерии-бродильщики, ацетогенные бактерии и метаногенные археи. В функциональном отношении они подразделяются на первичных анаэробов (гидролитиков и диссипотрофов с метаболизмом бродильного типа) и вторичных анаэробов (с дыхательным метаболизмом). О глобальной роли этого эндобиоза красноречиво говорят две цифры — растения ежегодно синтезируют ~ 10¹² т целлюлозы, а популяция термитов составляет ~ 2 • 10¹⁷ особей.

Паразитический эндобиоз. В основе зоопатогенного действия эндобионтов лежат два разных механизма. Менее распространенный, неспецифический механизм связан с образованием ROS, которые повреждают мембрану хозяина; примером служат микоплазмы Mycoplasma arthritidis, М. genitalium и М. pneumoniae (см. раздел 19.1.6.1).

Более распространенный механизм связан с образованием специфических токсинов и других факторов вирулентности, повреждающих клетку-мишень и/или влияющих на экспрессию ее генов. Рассмотрим важнейшие примеры.

Bordetella pertussis. Этиологический агент коклюша, В. pertussis — это исключительно человеческий патоген, который ингаляционным путем инфицирует верхние дыхательные пути. Факторы вирулентности этой бактерии подразделяются на адгезины и токсины. Главным адгезином В. pertussis является филаментозный гемагглютинин (англ. filamentoushaemagglutinin; FHА), который связывается с клетками и внеклеточным материалом дыхательного эпителия. Колонизация респираторного тракта дополнительно обеспечивается фимбриями. Наряду с адгезинами В. pertussis образует токсины, в основном белковой природы. К их числу относится коклюшный токсин (англ. pertussis toxin; РТХ), который обладает АДФ-рибозилазной активностью. Его мишенью являются сигнальные G-белки хозяина, которые в результате АДФ-рибозилирования теряют свою активность. Другой фактор вирулентности, аденилатциклаза (англ. adenylate cyclase; АС) вызывает апоптоз альвеолярных макрофагов. Факторы вирулентности В. pertussis доставляются в клетку хозяина секреторными системами III и IV типа, гены которых входят в состав хромосомного островка патогенности этой бактерии (см. раздел 16.6.1.3). Вирулентность В. pertussisконтролируется мембранным сенсором BvgS (от сокр. англ. Bordetella virulence gene). В благоприятных условиях, при 37° С он автофосфорилируется и через фосфореле передает сигнал транскрипционному фактору BvgA, который активирует промоторы генов вирулентности vag. В свою очередь, при низкой температуре и других неблагоприятных условиях фосфореле прерывается, и гены vag не экспрессируются.

Helicobacter pylori. Этот классический эндобионт вызывает у человека пептическую язву, мукозную лимфому и желудочную аденокарциному. При оральном инфицировании >90% клеток проникает в слой слизи на поверхности желудочного эпителия. Ключевым фактором колонизации и выживания является высокая уреазная активность этой бактерии, позволяющая избежать кислотного шока за счет образования аммиачной «атмосферы». С помощью адгезина ВаbА ~10% клеток H. pylori вступают в тесный контакт с эпителиальными клетками и впрыскивают в их цитоплазму факторы вирулентности. Островок патогенности cag (сокр. англ. cytotoxin-associated gene), гомологичный островкам патогенности других паразитов животных (в частности, В. pertussis) и паразитов растений (в частности, A. tumefaciens), кодируют секреторную систему IV типа. Она состоит из мультикомпонентного базального тела, расположенного в периплазматическом компартменте, и иглы, выступающей на поверхность клетки. Среди инъецируемых белков важнейшим является CagA. После попадания в клетку хозяина он прикрепляется к внутренней поверхности плазматической мембраны, фосфорилируется тирозинкиназой и совместно с белками N-WASP (сокр. англ. N-Wiskott-Aldrich syndrome) и Аrр2/3 (сокр. англ, actin rearrangement protein), а также ГТФ-связывающими белками индуцирует периферическую полимеризацию актина, что вызывает острое воспаление. Наряду с этим в результате индукции ядерного фактора NF-xB активируется хозяйская транскрипция, что служит причиной злокачественного роста. Успеху Я. pylori способствует то, что белок CagA не воспринимается клеткой хозяина как чужеродный, а также то, что бактерия активно избегает фагоцитирования.

Streptococcus pneumoniae. Пневмококки пользуются дурной славой сверхубийцы, поскольку в странах третьего мира от пневмонии ежегодно умирает ~1 млн. человек. В детском возрасте S. pneumoniae может также вызывать заражение крови, менингит и отит. Кроме того, он служит причиной артрита, гнойных абсцессов, конъюктивита и перикардита. Факторами вирулентности пневмококков является поверхностный адгезии PsaA, а также ряд токсинов и литических ферментов, в том числе гиалуронидаза, нейраминидаза, перфорирующий токсин, пневмолизин и протеаза IgA.

20.6.2. Эндобиоз бактерий с растениями

По сравнению с животными растения надежнее защищены от проникновения бактерий, поскольку обладают толстыми клеточными стенками и снаружи покрыты восковидной кутикулой. Однако даже эти защитные барьеры постоянно нарушаются (см. ниже). Взаимоотношения партнеров редко бывают мутуалистическими; обычно это комменсализм, балансирующий на грани паразитизма, или типичный паразитизм.

Мутуалистический эндобиоз у моховидных и саговниковых. Из 340 родов отдела моховидных (Bryophyta) только 6 родов (Anthoceros, Blasia, Cavicularia, Dendroceros, Notothylas и Phaeoceros) вступают в эндофитные ассоциации. Как правило, хозяева образуют небольшие, длиной несколько сантиметров, гаметофитные талломы, внутри которых разбросаны микроколонии цианобактерий диаметром <1 мм.

Все 150 видов отдела саговниковых (Cycadophyta) вступают в эндобиоз с Anabaena spp. Растение-хозяин образует специализированные коронарные корни у основания стебля, где в свободной зоне между наружным и внутренним кортексом поселяются цианобактерии.

Паразитический бипартитный эндобиоз. Наиболее известным примером такой ассоциации является симбиоз между растениями и фитопатогенной бактерией Agrobacteriutumefaciens, образующей коронарные галлы (см. I том учебника и раздел 16.6.1.3 настоящего тома). Вкратце напомним, что эта бактерия связывается с поверхностью клетки хозяина и трансформирует его своей плазмидной ДНК, что приводит к развтию патологических структур — коронарных галлов.

A. tumefaciens характеризуется исключительно широкой хозяйской специфичностью. Она реагирует на гетерогенную группу растительных фенолов, которые индуцируют у нее вирулентный ответ. Благодаря этому бактерия образует опухоли у представителей >300 родов двудольных, 4 семейств однодольных и 40 видов голосеменных растений.

Паразитический мультипартитный эндобиоз. Фитопатогенные бактерии являются либо факультативными (Erwinia spp., Pseudomonas spp. и др.), либо облигатными (Spiroplasmaspp., Xylella spp. и др.) паразитами. Наибольший урон наносят Agrobacterium spp., Erwinia spp., Pseudomonas spp., Xanthomonas spp. (фила BXII Proteobacteria), а такжеCorynebacterium spp. и Streptomyces spp. (фила BXIV Actinobacteria). Они вызывают разные формы вилта, галлов, гнилей, ожогов, парши, пятнистости, увядания, язв и т. д. Патогенез осуществляется в двух основных формах: биотрофной (когда паразит относительно медленно убивает хозяина) и некротрофной (когда хозяин быстро погибает; примером служат представители родов Erwinia и Pseudomonas, которые с помощью пектиназ мацерируют ткани, вызывая мягкую гниль).

Существует два основных способа проникновения во внутренние ткани растения. В первом случае для этого используются естественные ворота инфекции: устьица, гидатоды, нектарники и чечевички. Естественно, что паразитам проще попасть в нежные проростки. Во втором случае инфицирование происходит через механические повреждения и раны: разрывы трихомов (выростов эпидермиса; не путать с бактериальными трихомами) и участки выхода боковых корней. Третий, более редкий способ — воспользоваться разрывом кутикулы и эпидермиса под воздействием микрокристаллов льда. Такой фазовый переход в переохлажденной (от -2° до -12°С) водной пленке индуцируется особыми поверхностными белками фитопатогенных бактерий Е. herbicola, Р. syringac, P. fluorescens. Р. mridiflava и X. campestris. Эти белки, обозначенные как InaW и InaZ (сокр. англ. ice nucleation), имеют молекулярную массу ~120 кДа и содержат часто повторяющиеся 8-, 16- и 48-мерные аминокислотные последовательности. Предполагается, что вместе с липидами они формируют сайты для нуклеации льда на поверхности СМ.

После проникновения внутрь растения патогенные бактерии сталкиваются с защитными системами, которые существенно отличаются от иммунных систем животных. В то же время инфекционные механизмы зоопатогенов и фитопатогенов имеют конвергентные признаки (гены вирулентности входят в состав островков патогенности, а факторы вирулентности экспортируются секреторной системой III типа). Взаимодействие партнеров носит агрессивный характер. В качестве факторов вирулентности бактерии образуют гидролитические ферменты и фитотоксины, а растение ограничивает собственную колонизацию с помощью нескольких защитных механизмов: (1) путем уплотнения клеточных стенок; (2) путем образования ROS и фитоалексинов, или вторичных метаболитов из группы фитонцидов; (3) путем локализованного апоптоза, или гиперчувствительного ответа (англ. hepersensitiveresponse; HR).

Устойчивость растения к бактериальной инфекции определяется сочетанным присутствием двух генетических детерминант: гена резистентности R (у растения) и гена авирулентности avr (у бактерии). Кажется, странным, наличие у бактерии гена, индуцирующего хозяйские защитные системы, однако в отсутствии или при инактивации хозяйского гена R продукты разных генов avr ведут себя как факторы вирулентности.

Факторы вирулентности Avr доставляются в растительные клетки с помощью секреторных систем III типа, которые кодируются регулоном hrp/hrc (сокр. англ. hypersensitive responseand pathogenicity/hypersensitive response, pathogenicity and conserved). Затем они находят свои мишени. Их основной функцией является подавление индуцибельных защитных систем хозяина путем воздействия на его транскрипцию; в частности, так поступают белки семейства. AvrBs3, имеющиеся у X. campestris.

* * *

Завершив главу, посвященную синэкологии, мы переходим к последнему разделу, темой которого являются культивирование и биотехнология. Если до этого мы в основном рассматривали свойства отдельных особей, а также взаимоотношения между гомологичными или гетерологичными объектами, то теперь мы сосредоточим внимание на «тотальных» характеристиках, связанных с изменением численности популяций и их общей метаболической активностью. Соответствующие вопросы, интересные для фундаментальной микробиологии, важны и в прикладном отношении, поскольку прокариоты своей коллективной деятельностью изменяют окружающую среду, что, в частности, приносит практическую пользу.