Bakteriální morfologická plasticita - Bacterial morphological plasticity

Bakteriální morfologická plasticita se týká změn tvaru a velikosti, kterým bakteriální buňky procházejí, když se setkají se stresovým prostředím. Ačkoli bakterie vyvinuly komplexní molekulární strategie, aby si udržely svůj tvar, mnohé jsou schopné změnit svůj tvar jako strategii přežití v reakci na protistické predátory, antibiotika , imunitní odpověď a další hrozby.

Bakteriální tvar a velikost pod selektivními silami

Bakterie mají obvykle různé tvary a velikosti, které zahrnují kokus, tyčinku a spirálu/spirálu (mimo jiné méně časté) a které umožňují jejich klasifikaci. Tvary tyčinek například umožňují bakteriím snadnější přichycení v prostředích se smykovým napětím (např. V tekoucí vodě). Cocci mohou mít přístup k malým pórům, což vytváří více připojovacích míst na buňku a skrývá se před vnějšími smykovými silami. Spirálové bakterie kombinují některé charakteristické koky (malé stopy) a vlákna (větší povrch, na který mohou působit smykové síly) a schopnost vytvořit neporušenou sadu buněk pro stavbu biofilmů. Několik bakterií mění svou morfologii v reakci na typy a koncentrace vnějších sloučenin. Změny bakteriální morfologie pomáhají optimalizovat interakce s buňkami a povrchy, ke kterým se připojují. Tento mechanismus byl popsán u bakterií, jako jsou Escherichia coli a Helicobacter pylori.

Bakteriální filamentace

Fyziologické mechanismy

Oxidační stres, omezení živin, poškození DNA a expozice antibiotikům jsou příklady stresorů, které způsobují, že bakterie zastavují tvorbu septa a dělení buněk. Vláknité bakterie byly považovány za přetížené, nemocné a umírající členy populace. Vláknití členové některých komunit však mají zásadní roli v další existenci populace, protože vláknitý fenotyp může poskytnout ochranu před smrtícím prostředím. Vláknité bakterie mohou mít délku přes 90 µm a hrají důležitou roli v patogenezi lidské cystitidy . Vláknité formy vznikají prostřednictvím několika různých mechanismů.

• Mechanismus Base Excision Repair (BER) jako strategie opravy poškození DNA pozorovaná u E. coli. To zahrnuje dva typy enzymů:

• Bifunkční glykosylázy : endonukleáza III (kódovaná n -tým genem)
• Apurinické/apirimidinické (AP) -endonukleázy : endonukleáza IV (kódovaná genem nfo ) a exonukleáza III (kódovaná x-tím genem).

V rámci tohoto mechanismu jsou dceřiné buňky chráněny před přijímáním poškozených kopií bakteriálního chromozomu a současně podporují přežití bakterií. Mutant těchto genů postrádá aktivitu BER a je pozorována silná tvorba vláknitých struktur.

• Filamentace zprostředkovaná SulA/FtsZ : Jedná se o mechanismus k zastavení buněčného dělení a opravy DNA. V přítomnosti jednovláknových oblastí DNA, v důsledku působení různých vnějších podnětů (které indukují mutace), se hlavní bakteriální rekombináza (RecA) váže na tyto oblasti DNA a je aktivována přítomností volných nukleotid trifosfátů. Tato aktivovaná RecA stimuluje autoproteolýzu SOS transkripčního represoru LexA. LexA regulon obsahuje inhibitor buněčného dělení, SulA, který brání přenosu mutantní DNA do dceřiných buněk. SulA je dimer, který váže FtsZ (tubulin-like GTPase) v poměru 1: 1 a působí specificky na jeho polymeraci, která vede k tvorbě septovaných bakteriálních vláken. Podobný mechanismus může nastat u Mycobacterium tuberculosis , které se také prodlužuje po fagocytování.

• Ssd kódovaný rv3660c podporuje filamentaci u M. tuberculosis v reakci na stresující intracelulární prostředí. Nedávno byl u této bakterie objeven protein určující místo přepážky (Ssd) jako inhibitor přepážky, což vedlo k prodlouženým buňkám (nejen u tohoto druhu, ale také u Mycobacterium smegmatis ). Ultrastruktura bakteriálního vlákna je v souladu s inhibicí FtsZ polymerace (dříve popsáno). Předpokládá se, že Ssd je součástí globálního regulačního mechanismu v této bakterii, který podporuje přechod do změněného metabolického stavu.

• U Helicobacter pylori , spirálně tvarované gramnegativní bakterie, je mechanismus filamentace regulován dvěma mechanismy: peptidázami, které způsobují relaxaci peptidoglykanu, a proteiny bohatými na vinuté cívky (Ccrp), které jsou odpovědné za tvar šroubovicových buněk in vitro jako stejně jako in vivo. Tvar tyče by mohl mít pro pohyblivost pravděpodobně výhodu než pravidelný šroubovicový tvar. V tomto modelu existuje další protein Mre, ​​který se přesně nepodílí na udržování tvaru buňky, ale na buněčném cyklu. Bylo demotrováno, že mutantní buňky byly vysoce prodlouženy kvůli zpoždění buněčného dělení a obsahovaly nesegregované chromozomy.

Environmentální narážky

Imunitní odpověď

Některé ze strategií, jak bakterie obejít obranu hostitele, zahrnují generování vláknitých struktur. Jak bylo pozorováno u jiných organismů (jako jsou houby), vláknité formy jsou odolné vůči fagocytóze. Jako příklad toho se během infekce močových cest začnou vyvíjet vláknité struktury uropatogenní E. coli (UPEC) v reakci na vrozenou imunitní odpověď hostitele (přesněji v reakci na Toll-like receptor 4- TLR4 ). TLR-4 je stimulován lipopolysacharidem (LPS) a rekrutuje neutrofily ( PMN ), což jsou důležité leukocyty k eliminaci těchto bakterií. Přijmout vláknité struktury, bakterie odolávají těmto fagocytovým buňkám a jejich neutralizační aktivitě (která zahrnuje antimikrobiální peptidy , degradační enzym a reaktivní druhy kyslíku ). Předpokládá se, že filamentace je indukována jako reakce na poškození DNA (mechanismy dříve odhalenými), zúčastněným mechanismem SulA a dalšími faktory. Kromě toho by délka vláknitých bakterií mohla být silněji připevněna k epiteliálním buňkám se zvýšeným počtem adhezinů, které se účastní interakce, což ještě více ztěžuje práci ( PMN ). Interakce mezi buňkami fagocytů a přijetím bakterií vláknitého tvaru poskytuje výhodu jejich přežití. V tomto ohledu může být filamentace nejen virulencí, ale také faktorem rezistence těchto bakterií.

Predátor protist

Bakterie vykazují vysoký stupeň „morfologické plasticity“, který je chrání před predací. Bakteriální záchyt prvoků je ovlivněn velikostí a nepravidelností tvaru bakterií. Nadměrné, vláknité nebo prostékátové bakterie mohou být příliš velké na to, aby je bylo možné spolknout. Na druhou stranu další faktory, jako jsou extrémně malé buňky, vysokorychlostní pohyblivost, houževnaté připojení k povrchům, tvorba biofilmů a mnohobuněčných konglomerátů, mohou také snížit predaci. Několik fenotypových vlastností bakterií je upraveno tak, aby unikly tlaku pasoucímu se na protistánu.

Pastva Protistan nebo bakterivorie je prvok, který se živí bakteriemi. Ovlivňuje prokaryotickou velikost a distribuci mikrobiálních skupin. K hledání a zachycení kořisti se používá několik krmných mechanismů, protože bakterie se musí vyhýbat konzumaci těmito faktory. Kevin D. Young uvádí šest mechanismů krmení.

• Filtrování : transportujte vodu přes filtr nebo síto
• Sedimentace : umožňuje kořisti usadit se do záchytného zařízení
• Zachycení : zajetí predátorem indukovaného proudu nebo motility a fagocytózy
• Raptorial : dravec plazí a požírá kořist hltanem nebo pseudopody
• Pallium : kořist pohlcená např. Vytlačováním krmné membrány
• Myzocytóza : proráží kořist a vysává cytoplazmu a obsah

Bakteriální reakce jsou vyvolávány v závislosti na kombinaci predátora a kořisti, protože krmné mechanismy se mezi protisty liší. Pasoucí se prvoki navíc produkují vedlejší produkty, které přímo vedou k morfologické plasticitě kořistních bakterií. Například morfologické fenotypy Flectobacillus spp. byly hodnoceny za přítomnosti a nepřítomnosti bičíkovité pastvy Orchromonas spp. v laboratoři, která má kontrolu prostředí v rámci chemostatu . Bez pastvy a s dostatečným přísunem živin může Flectobacillus spp. rostl hlavně ve středně velké tyči (4-7 μm) a zůstal typický 6,2 μm na délku. S predátorem Flectobacillus spp. velikost byla změněna na průměrných 18,6 μm a je odolná vůči pastvě. Pokud jsou bakterie vystaveny rozpustným vedlejším produktům produkovaným pastvou Orchromonas spp. a procházet dialyzační membránou, délka bakterií se může zvýšit na průměrných 11,4 μm. Filamentace probíhá jako přímá reakce na tyto efektory, které jsou produkovány predátorem, a pro pastvu existuje velikostní preference, která se liší pro každý druh prvoků. Vláknité bakterie, které jsou větší než 7 μm na délku, jsou obecně nepoživatelné mořskými protisty. Tato morfologická třída se nazývá odolná vůči pastvě . Filamentace tedy vede k prevenci fagocytózy a zabíjení predátorem.

Bimodální efekt

Bimodální efekt je situace, kdy jsou bakteriální buňky v mezilehlém rozsahu spotřebovány rychleji než velmi velké nebo velmi malé. Bakterie, které jsou menší než 0,5 μm v průměru, jsou spásány protisty čtyřikrát až šestkrát méně než větší buňky. Vláknité buňky nebo buňky o průměru větším než 3 μm jsou navíc často příliš velké na to, aby je mohly pohltit protisty, nebo se spásají podstatně nižší rychlostí než menší bakterie. Specifické efekty se liší podle poměru velikosti mezi predátorem a kořistí. Pernthaler a kol. rozdělil citlivé bakterie do čtyř skupin podle hrubé velikosti.

• Velikost bakterií <0,4 μm nebyla dobře spásána
• Velikost bakterií mezi 0,4 μm a 1,6 μm byla „zranitelná pastvou“
• Velikost bakterií mezi 1,6 μm a 2,4 μm byla „potlačena pastvou“
• Velikost bakterií> 2,4 μm byla „odolná vůči pastvě“

Vláknité kořisti jsou v řadě mořských prostředí odolné vůči predátorské predaci. Ve skutečnosti neexistuje žádná zcela bezpečná bakterie. Někteří dravci do určité míry pasou větší vlákna. Morfologická plasticita některých bakteriálních kmenů se může projevit za různých růstových podmínek. Například při zvýšených rychlostech růstu mohou některé kmeny vytvářet velké vláknité morfotypy. Zatímco tvorba vlákna v subpopulacích může nastat během hladovění nebo za suboptimálních podmínek růstu. Tyto morfologické posuny by mohly být vyvolány vnějšími chemickými narážkami, které by mohl uvolnit samotný predátor.

Kromě velikosti bakterií ovlivňuje predaci prvoků několik faktorů. Bakteriální tvar, spirálová morfologie může hrát obrannou roli při krmení predací. Arthrospira může například snížit svou náchylnost k predaci změnou své spirálové výšky. Tato změna inhibuje některé přirozené geometrické rysy přijímacího zařízení protistova. Mnohobuněčné komplexy bakteriálních buněk také mění schopnost požití protisty. Buňky v biofilmech nebo mikrokoloniích jsou často odolnější vůči predaci. Rojové buňky Serratia liquefaciens například odolávají predaci jeho predátorem, Tetrahymenu . Vzhledem k tomu, že buňky normální velikosti, které jsou první v kontaktu s povrchem, jsou nejcitlivější, potřebují bakterie prodlužující se rojové buňky, aby je chránily před predátorstvím, dokud biofilm nezraje. Pro vodní bakterie mohou produkovat širokou škálu extracelulárních polymerních látek (EPS), které obsahují bílkoviny , nukleové kyseliny , lipidy , polysacharidy a další biologické makromolekuly . Sekrece EPS chrání bakterie před pastvou HNF. Planktonické bakterie produkující EPS obvykle vyvíjejí subpopulace jednotlivých buněk a mikrokolonií, které jsou uloženy v matrici EPS. Větší mikrokolonie jsou také kvůli své velikosti chráněny před bičíkovitou predací. Přechod na koloniální typ může být pasivním důsledkem selektivního krmení jednotlivými buňkami. Nicméně, mikrokolonií formace mohou být specificky indukována v přítomnosti predátory mezibuněčné komunikace ( quorum sensing ).

Pokud jde o motilitu bakterií, bakterie s vysokorychlostní motilitou se někdy vyhýbají pastvě lépe než jejich nepohyblivé nebo pomalejší kmeny, zejména nejmenší a nejrychlejší bakterie. Strategie pohybu buňky může být navíc změněna predací. Bakterie se pohybují strategií run-and-reverse, která jim pomáhá porazit unáhlený ústup, než bude uvězněna, místo aby se pohybovala strategií run-and-tumble. Studie však ukázala, že pravděpodobnost náhodných kontaktů mezi predátory a kořistí se zvyšuje s bakteriálním plaváním a pohyblivé bakterie mohou být HNF konzumovány ve vyšších dávkách. Vlastnosti povrchu bakterií navíc ovlivňují predaci i další faktory. Existují například důkazy, že protisté dávají přednost gramnegativním bakteriím než grampozitivním bakteriím. Protisté konzumují grampozitivní buňky mnohem nižší rychlostí než konzumace gramnegativních buněk. Heterotrofní nanoflageláty se také aktivně vyhýbají pastvě na grampozitivních aktinobakteriích. Pastva na grampozitivních buňkách trvá déle, než na gramnegativních buňkách. V důsledku toho dravec nemůže zvládnout více kořisti, dokud není předchozí požitý materiál spotřebován nebo vyloučen. Navíc byl také navržen povrchový náboj bakterie a hydrofobicita , které by mohly snížit schopnost pastvy. Další strategií, kterou mohou bakterie použít, aby se vyhnuly predaci, je otrávit svého predátora. Například určité bakterie, jako je Chromobacterium violaceum a Pseudomonas aeruginosa, mohou vylučovat toxinové látky související se snímáním kvora, aby zabily své predátory.

Antibiotika

Bacillus cereus buňka, která prošla filamentaci následující antibakteriální úpravou (horní elektronového mikroskopu; vpravo nahoře) a pravidelně velikosti buněk neošetřených B. cereus (nižší elektronové mikrofotografie)

Antibiotika mohou indukovat širokou škálu morfologických změn v bakteriálních buňkách, včetně sferoplastu , protoplastu a tvorby vejčitých buněk, filamentace (prodloužení buněk), lokalizovaný otok, tvorba boulí, bublání , větvení, ohýbání a kroucení. Některé z těchto změn jsou doprovázeny změnou citlivosti na antibiotika nebo změnou bakteriální virulence. Například u pacientů léčených beta-laktamovými antibiotiky se v jejich klinických vzorcích běžně nacházejí vláknité bakterie. Filamentace je doprovázena jak snížením citlivosti na antibiotika, tak zvýšením bakteriální virulence. To má důsledky jak pro léčbu nemoci, tak pro její progresi.

Antibiotika používaná k léčbě infekce Burkholderia pseudomallei (mellioidóza), například β-laktamy, fluorochinolony a inhibitory syntézy thymidinu , mohou vyvolat filamentaci a další fyziologické změny. Schopnost některých beta-laktamových antibiotik indukovat bakteriální filamentaci lze přičíst jejich inhibici určitých proteinů vázajících penicilin (PBP). PBP jsou zodpovědné za sestavení peptidoglykanové sítě v bakteriální buněčné stěně. Inhibice PBP-2 mění normální buňky na sféoplasty , zatímco inhibice PBP-3 mění normální buňky na vlákna. PBP-3 syntetizuje přepážku v dělících se bakteriích, takže inhibice PBP-3 vede k neúplné tvorbě sept v dělících se bakteriích, což vede k prodloužení buněk bez separace. Bylo prokázáno, že ceftazidim , ofloxacin , trimethoprim a chloramfenikol indukují filamentaci. Ošetření při minimální inhibiční koncentraci (MIC) nebo nižší vyvolává bakteriální filamentaci a snižuje zabíjení v lidských makrofágech . Vlákna B.pseudomallei se po odstranění antibiotik vracejí do normálních forem a dceřiné buňky si při opětovném vystavení antibiotikům zachovávají kapacitu a životaschopnost buněčného dělení. Filamentace tedy může být strategií přežití bakterií. U Pseudomonas aeruginosa se zdá, že filamentace vyvolaná antibiotiky spouští změnu z normální růstové fáze na stacionární růstovou fázi. Vláknité bakterie také uvolňují více endotoxinu (lipopolysacharidu), jednoho z toxinů odpovědných za septický šok .

Kromě výše popsaného mechanismu vyvolávají některá antibiotika filamentaci prostřednictvím reakce SOS . Během opravy poškození DNA reakce SOS napomáhá šíření bakterií inhibicí buněčného dělení. Poškození DNA indukuje reakci SOS v E.coli prostřednictvím dvousložkového systému přenosu signálu DpiBA , což vede k deaktivaci ftsl genového produktu, proteinu 3 vázajícího penicilin (PBP-3). Ftsl gen je skupina vláknitých teplotně citlivých genů zapojených do buněčného dělení. Jejich produktem (PBP-3), jak je uvedeno výše, je membránová transpeptidáza potřebná pro syntézu peptidoglykanu v přepážce. Inaktivace ftsl genového produktu vyžaduje SOS-podporující recA a lexA geny, stejně jako dpiA a přechodně inhibuje dělení bakteriálních buněk . DpiA je efektor pro dvousložkový systém DpiB. Interakce DpiA s počátky replikace soutěží s vazbou replikačních proteinů DnaA a DnaB. Když je nadměrně exprimován, DpiA může přerušit replikaci DNA a vyvolat reakci SOS, což má za následek inhibici buněčného dělení.

Nutriční stres

Nutriční stres může změnit bakteriální morfologii. Běžnou změnou tvaru je filamentace, která může být vyvolána omezenou dostupností jednoho nebo více substrátů, živin nebo akceptorů elektronů. Vzhledem k tomu, že vlákno může zvýšit absorpční povrch buňky, aniž by se výrazně změnil její objem. Filamentace navíc prospívá bakteriálním buňkám připojeným k povrchu, protože zvyšuje specifický povrch v přímém kontaktu s pevným médiem. Kromě toho může filamentace umožnit bakteriálním buňkám přístup k živinám zvýšením možnosti, že část vlákna bude v kontaktu se zónou bohatou na živiny a předávat sloučeniny do zbytku buněčné biomasy. Například Actinomyces izraelii roste jako vláknité tyčinky nebo rozvětvené v nepřítomnosti fosfátu, cysteinu nebo glutathionu. Po přidání těchto živin se však vrací k pravidelné tyčinkovité morfologii.

Viz také

• Filamentace
• Protoplasty
• Sféroidy

Reference