Свежие комментарии

  • Василий Коликов
    1. Так Пестель сорвался с шибенницы или с первого раза повис? У автора он в обоих списках. 2. Скорбь автора по казнен...Казнь декабристов...
  • Ангел Смерти
    Наши современники иногда носят пряди волос родственников в медальонах. Тоже для кого-то странная привычка.Подвески из Олене...
  • Ангел Смерти
    Привиться 1 раз не проблема. Лишь бы не раз в полгода без гарантий эффективности.Мартышкин труд?. ...

Бактерии используют левозакрученную ДНК в качестве каркаса для биопленок

Двойные спирали молекул ДНК в живых клетках могут существовать в трех формах, различающихся геометрическими свойствами: правозакрученные A-ДНК и B-ДНК и левозакрученная Z-ДНК. Основная форма — B-ДНК, поэтому на нее «рассчитано» большинство клеточных белков, специализирующихся на взаимодействии с ДНК. Благодаря этому Z-ДНК, которая слишком сильно отличается от B-формы, для большинства клеточных ферментов недоступна. Как показано в недавнем исследовании, этим успешно пользуются некоторые бактерии, которые строят биопленки (в частности, на поверхности органов других организмов). Поскольку сами по себе молекулы ДНК довольно прочные, они хорошо подходят на роль каркаса биопленок. В процессе формирования биопленки бактерии при помощи специальных белков преобразуют выделяемую посредством аутолиза во внешнюю среду B-ДНК в Z-ДНК. Это делает каркас биопленки практически неуязвимым для иммунных клеток организма-хозяина.

Несмотря на то, что в мире бактерий отсутствует истинная многоклеточность, многие бактерии, в том числе и патогены человека, формируют сложно устроенные сообщества — биопленки. Биопленки покрывают, например, зубы, подводные камни и другие поверхности, на которых могут жить бактерии (а жить они могут почти везде).

Биопленка представляет собой матрикс сложного состава, в который погружены бактериальные клетки. В состав матрикса входят белки, липиды, полисахариды и прочие биополимеры, а также внеклеточная ДНК, которая играет роль «арматуры», обеспечивающей структурную целостность и жесткость матрикса. Бактериальную биопленку можно сравнить с многоквартирным домом, все жильцы которого имеют крышу над головой и равный доступ к электричеству, водопроводу, газу и прочим коммуникациям (для бактерий аналогом всего этого служат питательные вещества и другие ресурсы, необходимые для метаболизма).

Бактерии в биопленке становятся практически неуязвимыми для антибиотиков и других противомикробных агентов, а если речь идет о бактериях, обитающих в организме животного, — то и для иммунной системы хозяина. Дело в том, что матрикс биопленки, окружающий бактериальные клетки, препятствует их непосредственному взаимодействию с антибиотиками. Продолжая аналогию с многоквартирным домом, жильцы которого платят налоги и централизованно оплачивают капитальный ремонт, можно сказать, что бактериальные клетки в составе биопленки, секретируя ее компоненты, поддерживают, таким образом, целостность во всех отношениях выгодного для них сообщества, получая взамен питание и защиту.

Из всех компонентов матрикса бактериальных пленок наиболее загадочным, пожалуй, является входящая в его состав внеклеточная ДНК. Чисто физически двойная спираль ДНК — это довольно жесткая и прочная протяженная молекула, которая, как железный прут, может играть роль опоры для желеобразного матрикса биопленки. Откуда берется внеклеточная ДНК? Оказывается, бактериальные клетки в составе биопленки обмениваются друг с другом сигнальными молекулами (это явление также известно как чувство кворума). Под действием определенных сигналов, испускаемых соседними клетками, часть клеток подвергается добровольной гибели и разрушению — аутолизу. При лизисе клеток их ДНК выходит наружу и остается в матриксе биопленки (L. Montanaro et al., 2011. Extracellular DNA in biofilms).

В биопленках ДНК связана с белками IHF и HU, относящимися к семейству DNABII (см. Bacterial DNA binding protein), которые поддерживают ее двойную спираль. Эксперименты показали, что в отсутствие DNABII биопленка буквально рассыпается, а бактерии, как жильцы разбитого бомбежкой дома, сталкиваются один на один с враждебной окружающей средой и в большинстве своем погибают.

А что будет, если в биопленке не будет ДНК? На самом деле, обработка сформировавшейся биопленки нуклеазами, расщепляющими ДНК, обычно не дает никаких результатов, и помешать формированию биопленки можно, только лишь обработав клетки нуклеазой на самой ранней стадии ее формирования. Почему же ДНК в составе биопленок не расщепляется нуклеазами? Ответу на этот вопрос посвящена недавняя работа, опубликованная в журнале Cell. Авторы исследования пришли к совершенно парадоксальному выводу: в зрелой биопленке большая часть ДНК представлена левозакрученной формой, или Z-ДНК, и потому нуклеазы никак на нее не действуют.

В живых клетках молекулы ДНК могут существовать в нескольких конформациях (рис. 1, см. также Nucleic acid double helix). Основная форма ДНК в клетках — это B-ДНК, и именно ее обычно имеют в виду, когда изображают красивую двойную спираль ДНК с большой и малой бороздками. A-ДНК отличается от B-формы ДНК по ряду геометрических параметров, в живой природе она встречается нечасто. Любопытно, что именно в форме A-ДНК находится ДНК в вирионах ряда вирусов архей, которые не так давно были выделены в отдельный реалм Adnaviria. И B-, и A-формы ДНК закручены вправо. Но в клетках также встречается, хотя и очень редко, левозакрученная форма, Z-ДНК. Как правило, она формируется при связывании специальных белков с последовательностями вида (GC)n.

Z-ДНК отличается от привычной нам B-ДНК не только направлением закрученности цепей, но и множеством других параметров, таких как ориентация азотистых оснований, конформация сахаров и других. И, самое главное, Z-ДНК не разрушается нуклеазами, которые расщепляют B-ДНК! Тем не менее, несмотря на множество геометрических различий, переход одной и той же последовательности из одной формы в ДНК в другую обратим и вполне возможен не только в пробирке при изменении ионной силы и других параметров раствора, но и в живой клетке — например, при связывании упоминавшихся выше специальных белков, которые способствуют изменению конформации ДНК.

Функции Z-ДНК в клетках пока не до конца описаны. Известно, что ее формирование может влиять на экспрессию близлежащих генов: поскольку подавляющее большинство ДНК-связывающих белков, в том числе и факторов транскрипции, «заточено» под B-ДНК, то переход участков связывания транскрипционных факторов в Z-форму делает невозможным их взаимодействие с белками, что приводит к изменениям в экспрессии подконтрольных генов. Z-ДНК формируется в клетках под действием специальных белков, при ряде модификаций ДНК и некоторых других условиях. Помня о том, что Z-ДНК неуязвима для нуклеаз, авторы обсуждаемого исследования предположили, что в зрелых биопленках роль жесткого структурного каркаса играет именно левозакрученная ДНК. Отметим, что в живой клетке убрать Z-ДНК гораздо проще: связывание специальными белками обеспечивает ее переход в обычную B-ДНК.

Исследователи показали, что Z-ДНК присутствует в биопленках таких патогенных бактерий, как уропатогенная Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae и Haemophilus influenza. Выявить наличие Z-ДНК можно с помощью распознающих ее моноклональных антител. Авторы отметили, что в молодых биопленках доля ДНК в B-конформации превосходит таковую для Z-конформации, однако по мере созревания биопленки почти вся правозакрученная ДНК переходит в левозакрученную форму. Ученым удалось даже увидеть Z-ДНК в составе биопленок: она выглядит как толстые волокна (рис. 2).

Как уже говорилось, Z-ДНК может сформироваться, если склонная к этому последовательность ДНК вида (GC)n будет связана белками, распознающими Z-ДНК. В качестве таких белков могут выступать специфичные по отношению к Z-ДНК моноклональные антитела, которые могут образовываться в организмах млекопитающих и в настоящее время даже коммерчески доступны. И действительно, в ходе проведенного авторами эксперимента обработка моноклональными антителами, специфично связывающими Z-ДНК, ускоряла формирование биопленки, активируя переход правозакрученной ДНК в составе матрикса в левозакрученную форму (рис. 3).

Рис. 3. Переход правозакрученной B-ДНК в левозакрученную Z-ДНК

Склонить правозакрученную ДНК к переходу в левозакрученную можно и иным путем. Известно, что формированию Z-ДНК способствует хлорид церия (CeCl3). Хлорид церия связывается с сахарофосфатным остовом ДНК и нейтрализует электростатическое отталкивание между заряженными группами, делая левозакрученную конформацию энергетически выгодной. Обработка биопленок хлоридом церия приводила к их росту и увеличению массы бактериальных клеток в составе биопленки. Таким образом, смещение равновесия между B- и Z-формами ДНК в сторону последней способствует формированию биопленок. Более того, под действием хлорида церия повышался модуль Юнга биопленок, что свидетельствует о том, что увеличение количества Z-ДНК в биопленке повышает ее механическую жесткость.

Левозакрученную ДНК можно перевести в правозакрученную, обработав, например, хлорохином. Это вещество является интеркалятором, то есть внедряется в двойную спираль ДНК. Обработка биопленки хлорохином способствует ее развалу, поскольку под действием этого вещества доля Z-ДНК в биопленке уменьшается, из-за чего ее жесткость снижается. Более того, хлорохин действует на биопленки столь губительно, что бактериальные клетки начинают буквально вываливаться из них! После обработки хлорохином биопленки становятся чувствительными к действию нуклеаз, ведь ДНК переходит в распознаваемую этими ферментами правозакрученную форму.

Каким образом Z-ДНК образуется при естественном формировании биопленки? Ученые показали, что вышеупомянутые белки группы DNABII способствуют переходу правозакрученной ДНК в левозакрученную. Возможность непосредственного взаимодействия DNABII с Z-ДНК пока не доказана и, вероятно, белки DNABII стабилизируют Z-ДНК, не связываясь с ней напрямую. По-видимому, на ранних этапах формирования биопленки, когда в ней преобладает B-форма ДНК и она сохраняет чувствительность к нуклеазам, белки DNABII запускают переход B-ДНК в Z-ДНК.

ДНК в составе биопленок не всегда имеет бактериальное происхождение. Нейтрофилы, главные фагоцитирующие клетки крови, в критической ситуации способны совершить «харакири» и «выплюнуть» свою геномную ДНК вместе с гистонами и различными бактерицидными белками во внеклеточную среду. Сам нейтрофил, естественно, при этом погибает. Подобно рыболовной сети, эта мешанина из ДНК с гистонами, которую называют «внеклеточными ловушками нейтрофилов» (NET — neutrophil extracellular traps), опутывает бактериальные клетки и убивает их за счет бактерицидного действия связанных с ней белков. Впрочем, эффект от подобного акта самопожертвования может быть строго обратный. Авторы показали, что куски ДНК нейтрофилов тоже могут быть включены в состав бактериальной биопленки и под действием белков DNABII переведены в Z-форму. Таким образом, бактерии в составе биопленки не только нейтрализуют ловушки нейтрофилов, но и встраивают их куски в состав матрикса. Кроме того, антибактериальные белки, связывающие B-ДНК, оказываются бессильны против бактерий, поскольку с Z-ДНК они взаимодействовать не могут.

Авторы исследования отмечают, что образование антител к Z-ДНК в ходе адаптивного иммунного ответа на вторжение бактерий может не только не помешать развитию инфекции, но и способствовать ее переходу в хроническую форму, ведь антитела, связывающие Z-ДНК, стабилизируют ее и, следовательно, укрепляют бактериальные биопленки.

Источник: John R. Buzzo, Aishwarya Devaraj, Erin S. Gloag, Joseph A. Jurcisek, Frank Robledo-Avila, Theresa Kesler, Kathryn Wilbanks, Lauren Mashburn-Warren, Sabarathnam Balu, Joseph Wickham, Laura A. Novotny, Paul Stoodley, Lauren O. Bakaletz, Steven D. Goodman. Z-form extracellular DNA is a structural component of the bacterial biofilm matrix // Cell. 2021. DOI: 10.1016/j.cell.2021.10.010.

Елизавета Минина

Adblock test (Why?)

Ссылка на первоисточник

Картина дня

наверх