» » Зачем бактериям и простейшим липоксигеназы?

Зачем бактериям и простейшим липоксигеназы?


Зачем бактериям и простейшим липоксигеназы?

Зачем бактериям и простейшим липоксигеназы?

Рис. 1. Примеры оксилипинов человека и животных. Слева направо: лейкотриен B4 (Leukotriene B4), 12(S)-гидроксиэйкозатетраеновая кислота (12S-Hete), липоксин A4 (Lipoxin A4). Первые два соединения стимулируют воспаление, третье — его подавляет. Рисунки с сайта pubchem.ncbi.nlm.nih.gov


Функции ферментов липоксигеназ хорошо исследованы у животных, растений и грибов и чуть хуже — у водорослей. Но до сих пор крайне мало было известно о том, насколько широко липоксигеназы распространены у бактерий и простейших и как эти микроорганизмы ими пользуются. Про эволюцию липоксигеназ тоже было известно довольно мало. Проведенный недавно биоинформационный анализ частично заполняет эту брешь. Удалось выявить, что липоксигеназы значительно чаще встречаются у тех бактерий и простейших, которые склонны к образованию многоклеточных структур. Похоже, что липоксигеназы, как сигнальные ферменты, эволюционно сопутствовали возникновению многоклеточности. А сравнительно недавно некоторые бактерии — в том числе опасные внутригоспитальные патогены — научились использовать липоксигеназы, чтобы облегчить себе преодоление иммунного барьера человека.

Липоксигеназы — это ферменты, окисляющие полиненасыщенные жирные кислоты (ПНЖК) путем введения в их молекулу атома кислорода. «На выходе» получаются оксилипины — производные ПНЖК с добавленной кислородсодержащей группой (–OH, –C(=O)–, –O– или –OOH).

Липоксигеназы широко распространены в наиболее известных царствах домена эукариот — у растений, животных и грибов. Есть они и у бактерий. У разных видов количество разновидностей (или, говоря языком биохимии, изоферментов) липоксигеназ может различаться: например, у человека их 6, а у мыши — 7. При этом некоторые организмы могут не иметь липоксигеназ вообще (например, все насекомые), а некоторые могут иметь всего одну (многие бактерии и простейшие из обсуждаемой работы).

У человека продукты липоксигеназ — лейкотриены, гидроксиэйкозатетраеновые кислоты и липоксины (lipoxin) (рис. 1) — участвуют в регуляции воспалительной реакции. Вещества первых двух классов стимулируют воспаление, привлекая лейкоциты в воспалительный очаг и активируя их защитные функции, а липоксины, наоборот, останавливают воспаление. Лейкотриены хорошо известны медикам: они участвуют в патогенезе бронхиальной астмы, поэтому их действие при этом заболевании блокируют с помощью специальных препаратов.

У высших растений воспаления в привычном нам смысле нет — их ткани устроены не так, как у животных. Клетки растений «одеты» в жесткие целлюлозные оболочки, что исключает любую возможность для гипотетических «иммунных клеток» (которых у растений и нет) примчаться на место повреждения и устранить проблему (уничтожить патоген или залатать повреждение). Но у растений тоже есть ответ на повреждение: они способны выделять различные вещества, губительные для патогенов или химически препятствующие поеданию растения насекомыми. Вторая «опция» чаще всего реализуется в усиленном накоплении в тканях растения ингибиторов протеаз — белков, блокирующих пищеварительные ферменты насекомого. Если оно и не умрет от голода с переполненным кишечником, то диспепсия ему будет точно обеспечена! Конечно, насекомое успеет сколько-то съесть, но без ингибиторов пищеварительных ферментов его аппетит явно был бы лучше. Подробнее об этом можно прочитать в статье Натальи Резник Защита томата. Здесь уместно напомнить, что у некоторых растений (например, акаций) есть похожий защитный механизм, использующий танины, читайте о нем в задаче Жизнь и смерть в саванне.

Может показаться парадоксальным, но и у растений реакцию на повреждение — такую непохожую на противовоспалительный ответ у людей — координируют продукты липоксигеназ! Липоксигеназы растений гомологичны липоксигеназам животных и устроены почти так же (рис. 2). Но этим дело у растений не ограничивается: с участием липоксигеназы у них синтезируются жасмонаты. Это мощные гормоны, которые дирижируют и описанным ответом на повреждение, и несколькими другими важнейшими для растения процессами: прорастанием семян, накоплением запасных белков (например, в клубнях), созреванием плодов и фотосинтезом. В целом, они регулируют экспрессию нескольких сотен генов.


Зачем бактериям и простейшим липоксигеназы?

Рис. 2. Наложение липоксигеназы сои (показана голубым) на липоксигеназный домен липоксигеназы человека. Начальные сегменты (вверху слева) могут отличаться у представителей разных таксонов, но липоксигеназный домен устроен почти одинаково у растения и человека. Он состоит из нескольких альфа-спиралей, зажимающих между собой кофактор — ион железа (на рисунке показан красным) и субстрат (на рисунке его нет). Если присмотреться, можно заметить, что спирали накладываются друг на друга почти полностью: трехмерная структура каталитического домена липоксигеназы одинакова. Даже имея только нуклеотидную последовательность и не имея структуры, этот домен можно «вычислить» (например, с помощью программы Batch-CD-Search) и убедиться, что перед нами липоксигеназа. Изображение получено автором на основе структур PDB и визуализации UCSF Chimera


Но растения не остановились и пошли дальше. В отличие от людей, которые не могут передавать свои собственные гормоны по воздуху, чтобы влиять на поведение других людей, растения могут проделывать такое как раз с гормоном жасмонатного ряда — метилжасмонатом (рис. 3). Это летучее соединение, которое может выделяться растением в воздух с целью оповестить сородичей об опасности — нападении травоядного животного или патогена. Можно сказать, что растения плачут метилжасмонатом.


Зачем бактериям и простейшим липоксигеназы?

Рис. 3. Метилжасмонат — гормон высших растений, синтезируемый с помощью липоксигеназы. Он умеет передаваться по воздуху другим растениям! Рисунок с сайта pubchem.ncbi.nlm.nih.gov


У мхов продукты липоксигеназ тоже регулируют защиту от патогенов, рост и развитие, а бурые водоросли используют их как феромоны, позволяющие мужской и женской гаметам найти друг друга. У грибов липоксигеназы участвуют в синтезе медиаторов чувства кворума (способности чувствовать своих соседей и общаться с ними) и «переключении» с плесневой на дрожжевую форму и обратно у диморфных грибов.

В итоге оказывается, что липоксигеназы универсальны как сигнальные ферменты: синтезируемые ими оксилипины (см. oxylipin) служат интернациональным химическим языком, на котором переговариваются клетки организмов в разных царствах. Причем зачастую с помощью липоксигеназ клетки кричат «Помогите, нас едят!»

Есть у липоксигеназ и чуть более экзотическая функция, но детально она описана только для одной бактерии — внутригоспитального патогена синегнойной палочки (Pseudomonas aeruginosa). При помощи своей липоксигеназы она синтезирует липоксины — противовоспалительные эйкозаноиды, уже упоминавшиеся выше. Лейкоциты воспринимают их как сигнал «Отбой!» — и синегнойная палочка может спокойно захватывать территорию. Впрочем, с помощью другой своей липоксигеназы синегнойная палочка запускает ферроптоз клеток хозяина, атакуя их «в лоб».

Тот факт, что липоксигеназы выполняют сходные функции у организмов из разных царств, наводит на мысль об эволюционной консервативности (сохранности) их функций. Можно было бы сказать, что все представители фауны и флоры унаследовали липоксигеназы от своих эволюционных предков, если бы не одно «но» — бактерии и простейшие. Мы все когда-то произошли от одного общего предка (см. LUCA). Но у бактерий липоксигеназы встречаются очень редко — только в 0,5% от всех секвенированных геномов. У простейших они найдены вообще только в единичных таксонах. И решительно непонятно, для чего они им нужны: функции липоксигеназ у бактерий и простейших не изучены, за исключением упомянутой выше синегнойной палочки и миксобактерии Myxococcus xanthus. Установлено, что у представителей вида M. xanthus продукты липоксигеназы вызывают положительный хемотаксис. И более не известно ничего. Из простейших липоксигеназа описана только у слизевика Dictyostelium discoideum, — при мутации гена этого фермента у него нарушается формирование плодового тела. Про его функцию тоже не известно ничего более.

Получается, что функции липоксигеназ интригующе похожи, но у самого эволюционного корня современных многоклеточных организмов лежит огромная пропасть нашего незнания: какую функцию выполняют эти ферменты у более простых организмов?

При нехватке экспериментальных данных помочь ответить на этот вопрос могут методы биоинформатики. Почти для каждой бактерии, чей геном секвенирован, доступен и полный набор ее белков, — они просто транслированы с геномов и загружены в базы данных. Понятно, что эта работа проделывается автоматически, и большая часть этих данных людьми не проверялась. Это огромные данные и с ними можно поработать — поискать ассоциации обладания липоксигеназой с другими особенностями изучаемых бактерий.

Прежде всего, мы взяли последовательности известных липоксигеназ (две эукариотических и одну бактериальную) и с помощью программы BLAST («поисковика» для сходных последовательностей) нашли в этих базах их «родственников» — сходные белки с общим эволюционным происхождением. С помощью программы Batch-CD-Search мы проверили, какой домен содержат эти последовательности, и для дальнейшего анализа взяли только последовательности с липоксигеназным доменом (см. рис. 2). А еще мы проверили, есть ли в этих последовательностях характерные для липоксигеназ консервативные аминокислотные остатки. В итоге мы получили набор белковых последовательностей из разных бактерий и простейших, которые могли считать липоксигеназами.

Теперь мы могли рассортировать их по таксонам и посчитать, сколько в каждом порядке бактерий и простейших (это примерно то же самое, что отряд у животных) встречается родов с липоксигеназами. Почему родов, а не видов? Потому что у бактерий не всегда понятно, где кончается штамм и начинается вид, и где кончается один вид и начинается другой.


Классификация бактерий вообще очень запутанная и постоянно меняется и уточняется. Например, мы иногда не знаем, где заканчивается штамм и начинается род! Многим, наверное, известны бактерии рода Shigella — возбудители дизентерии. До недавнего времени они считались близкими родственниками кишечных палочек. Стройную картину поколебало открытие энтероинвазивных штаммов кишечной палочки, которые обладают теми же генами вирулентности, что и шигеллы, и тоже вызывают дизентерию. При филогенетическом исследовании оказалось, что шигеллы представляют собой «веточку» среди штаммов кишечной палочки и наиболее близки как раз к энтероинвазивным кишечным палочкам. Получается, что «род Shigella» — это всего лишь высокопатогенная субпопуляция патогенного подвида кишечной палочки.

Причина таких сюрпризов в том, что старые классификации основывались не на генетике, а на внешних признаках (в случае шигеллы — на патогенности), а внешность, как известно, обманчива. Но больше никаких критериев вида для бактерий у нас просто нет. Филогенетика помогает лишь установить правильность объединения штаммов в один вид, но мало помогает в проведении границы между видами. С животными и растениями все (относительно) просто — разные виды обычно не скрещиваются. Бактерии своим бесполым размножением отнимают у исследователей и эту палочку-выручалочку.

В нашем исследовании, к счастью, не было шигелл. Но в нем были, например, цианобактерии. А у них еще большая путаница с классификацией: род Microcoleus на самом деле надо делить на 4 рода, а род Synechococcus вообще расформировать и раскидать всех его членов по другим таксонам по филогенетическому признаку (об этом упоминается в новости Зачем цианобактерии вьют из себя веревки?, «Элементы», 19.11.2009). Кстати, в ходе нашего исследования такое случалось: привычный всем медикам род Mycobacterium за это время был разделен на четыре рода, — и при доработке статьи мы работали уже немного по другой классификации.

Но если такая путаница даже с родами, почему мы все-таки предпочли их? Между крупными таксонами проще проводить границу, — поэтому мы хотя бы могли быть уверены, что у большинства бактерий в базе данных род будет указан. Что не скажешь о виде: из-за трудностей определения вида очень большая часть бактерий имеет только обозначение штамма. Кроме того, с видами легко ошибиться в несколько раз, а неточность в определении рода при такой большой выборке, скорее всего, не повлияет на результат кардинально.


Здесь мы могли попасться в еще одну «ловушку»: для разных порядков секвенировано разное количество геномов, что отразилось бы на встречаемости и дало бы нам смещенную оценку (точно так же, как на статистику заболеваемости коронавирусом влияет число проводимых тестов). Поэтому подсчитанное количество родов для каждого порядка мы делили на число доступных протеомов для него же и умножали для удобства на сто. Получался условный показатель, но он был статистически достовернее. Правда, для простейших мы не смогли так сделать: для них секвенировано не так много геномов. Для них мы считали одновременно роды и виды, чтобы повысить надежность.

Кроме этого, мы провели для наших последовательностей молекулярно-филогенетический анализ: с помощью специальных компьютерных программ рассчитали их филогенетические деревья и филогенетические сети (рис. 4). С первым вариантом все понятно: программа пытается реконструировать ход эволюции в виде дерева. Но что за сети такие? Дело в том, что у бактерий большую роль играет горизонтальный перенос генов, и эволюция их белков больше похожа не на дерево, а на сеть. Поэтому был резон воспользоваться программой, изображающей эволюцию липоксигеназ в виде сети. Тем более что были основания ожидать большого вклада горизонтального переноса в их распространение.


Зачем бактериям и простейшим липоксигеназы?

Зачем бактериям и простейшим липоксигеназы?

Рис. 4. Две модели эволюции всех бактериальных липоксигеназ (для сравнения добавлены эукариоты): филогенетическое дерево (вверху) и филогенетическая сеть. Для наглядности на обеих моделях использованы одинаковые цвета. Большие зеленые «кусты» образованы цианобактериями. Скорее всего, они происходят от двух липоксигеназ, имевшихся у их общего предка. Аналогичная картина у миксобактерий (светло-красные), но они, скорее всего, просто дважды заимствовали липоксигеназы у цианобактерий. Рисунки из обсуждаемой статьи


Такой вклад подтвердился — по деревьям и сети видно, что эволюция липоксигеназ совершенно не соответствует эволюции самих таксонов. Миксобактерии оказались между эукариотами, а цианобактерии разбились на два кластера, причем один из них тесно соседствует с миксобактериями (см. рис. 4). Похоже, липоксигеназы распространялись между таксонами не как цвет глаз (от родителей к детям), а как грипп между людьми — горизонтально в одном поколении.


Зачем бактериям и простейшим липоксигеназы?

Зачем бактериям и простейшим липоксигеназы?

Рис. 5. Распространенность липоксигеназ в разных порядках бактерий (по горизонтали — показатель встречаемости). Лидируют по встречаемости миксобактерии (Myxococcales), образующие на рис. 4 кластеры красного цвета, и многоклеточные цианобактерии (Oscillatoriales и Nostocales), образующие большую часть зеленых «кустов» на наших деревьях и сетях. Рисунок из обсуждаемой статьи


Но в какой последовательности шло распространение? Для реконструкции эволюционной истории липоксигеназ мы попробовали построить дополнительные деревья и сети — на основе не всей выборки, а отдельных таксонов. Оказалось, что самые вероятные кандидаты на роль первых «изобретателей» липоксигеназ — цианобактерии. У них этот фермент позаимствовали миксобактерии. В этих двух таксонах распространенность липоксигеназ на настоящий день — самая высокая среди бактерий (рис. 5). Да и на филогенетическим дереве они образуют самые большие «кусты».


Зачем бактериям и простейшим липоксигеназы?

Рис. 6. Реконструкция эволюционного дерева эукариотических липоксигеназ в круговом виде. Толщина линий отражает величину бутстрэп-поддержки — статистической достоверности существования данной ветви и ее общего «ствола»: ветви, в которых мы уверены, показаны жирной линией, а ветви, о которых ничего сказать не можем, едва различимы или полностью теряются. По этому дереву мы можем заключить, что единственные две группы, получившие липоксигеназу от общего предка — это растения и зеленые водоросли. Все остальные группы многоклеточных эукариот получали ее независимо — достаточно «толстой» (статистически достоверной) общей предковой линии не прослеживается. Иногда можно констатировать только горизонтальный перенос — как между грибами и оомицетами. С переносом между миксобактериями и животными нам еще предстоит разобраться — возможно, тут был посредник или общий источник. Независимое обретение липоксигеназ разными ветвями эукариот хорошо коррелирует с обретением ими многоклеточности. Рисунок из обсуждаемой статьи


Несколько эволюционных линий эукариот, по нашим данным, заимствовали липоксигеназы независимо (причем до конца не ясно, у каких именно бактерий). Помимо растений, водорослей, грибов и животных, среди них были диктиостелиевые слизевики и оомицеты (рис. 6). Среди оомицет встречаемость липоксигеназ оказалась самой высокой в группе простейших (рис. 7).


Зачем бактериям и простейшим липоксигеназы?

Рис. 7. Встречаемость липоксигеназ в разных таксонах простейших (по вертикальной оси указано число видов/родов). «Лидируют» миксомицеты (Mycetozoa) и оомицеты (Oomycota). Рисунок из обсуждаемой статьи


В обсуждаемой работе мы реконструировали последовательность событий «заимствования» липоксигеназ, но их временные рамки нам неизвестны. Для датировки событий на филогенетическом дереве существует метод молекулярных часов (см., например, статью А. Маркова Хронология далекого прошлого), но он требует калибровки по каким-то известным точкам на шкале времени. Беда в том, что бактерии не оставляют окаменелостей — поэтому даже для консервативных бактериальных белков ориентиров для калибровки крайне мало. А уж если исследуется такой нестандартный для филогенетики белок, как липоксигеназа — переносящийся горизонтально и эволюционирующий с непредсказуемой скоростью, — то любые молекулярные часы теряют смысл.

Таким образом, среди бактерий и простейших обнаружились несколько таксонов-«лидеров»: цианобактерии, миксобактерии, оомицеты и миксомицеты (слизевики). Примечательно то, что все они многоклеточные!

Читателя, специально не занимавшегося микробиологией, фраза «многоклеточные бактерии» или «многоклеточные простейшие» может легко ввести в ступор. Они действительно существуют, но речь идет, конечно, о примитивной многоклеточности. Цианобактерии формируют многоклеточные талломы в виде длинных нитей (рис. 8, а), подобно некоторым водорослям, а некоторые при этом дифференцируются на два клеточных типа. Некоторые штаммы умеют еще и сплетаться в веревки из отдельных нитей для освоения неустойчивых субстратов (см. Зачем цианобактерии вьют из себя веревки?, «Элементы», 19.11.2009). Цианобактерии выглядят как самый далеко зашедший эксперимент природы в создании многоклеточного организма на прокариотной базе.


Зачем бактериям и простейшим липоксигеназы?

Зачем бактериям и простейшим липоксигеназы?

Рис. 8. Примеры многоклеточности у бактерий и простейших: а — многоклеточные нити цианобактерий Cylindrospermum (фото с сайта en.wikipedia.org), б — плодовые тела миксобактерий Myxococcus xanthus (фото с сайта en.wikipedia.org), в — плодовые тела слизевика (Dictyostelium discoideum) на разных стадиях развития (фото с сайта en.wikipedia.org), г — мицелий оомицета Pythium, подобный мицелию гриба . В нашем исследовании липоксигеназы оказались ассоциированы с этими таксонами


Им немного уступают миксобактерии: при голодании они сбиваются вместе и образуют многоклеточные плодовые тела, похожие на плодовые тела грибов (рис. 8, б). На них даже ставили эксперимент по эволюции многоклеточности (Способность к сложному коллективному поведению может возникнуть благодаря единственной мутации, «Элементы», 25.05.2006). Аналогичную форму в процессе эволюции развили слизевики, также образующие плодовые тела (рис. 8, в). А еще они умеют заниматься фермерством (см. статью Н. Резник Коллективное сельское хозяйство у общественных амёб) и формировать эпителий, гомологичный эпителию животных на молекулярном уровне (Социальные амёбы умеют формировать многоклеточный эпителий, «Элементы», 16.03.2011). Да и сама форма слизевика использовалась эволюцией много раз (см. Предложена первая филогенетическая классификация миксомицетов, «Элементы», 10.04.2019) при создании многоклеточности — чаще, чем все остальные формы, включая многоклеточность «животного» типа.

А оомицеты — это истинные многоклеточные организмы, по жизненной форме напоминающие грибы. Они тоже образуют мицелий (рис. 8, г), но при этом филогенетически ближе к водорослям и развили эту форму конвергентно.

В свете сказанного вдвойне интересно, что марганцевые липоксигеназы грибов (использующие в качестве кофактора не железо, а марганец) оказываются на построенных деревьях ближайшими родственниками липоксигеназ оомицет. И в целом липоксигеназы таксонов, выделяющихся среди родственников своей многоклеточностью, кластеризовались друг с другом: цианобактерии — с миксобактериями, миксобактерии — с животными (как ни странно)!

Является ли это доводом в пользу того, что одни «изобретатели» многоклеточности делились с другими своей наработкой в виде липоксигеназы? Пока было бы очень смело это утверждать. Однако нам удалось установить, что и на филогенетическом, и на таксономическом уровне липоксигеназы микроорганизмов оказались ассоциированы с многоклеточностью. Эту же самую закономерность мы видим на уровне всего живого мира, если разделить его по царствам и доменам: липоксигеназы наиболее широко распространены в типично многоклеточных группах, таких как растения и животные. И если у последних их роль связана с межклеточной сигнализацией, разумно предположить то же самое для многоклеточных бактерий и простейших. Во всяком случае, это объяснение будет наиболее экономным. К сожалению, пока его экспериментальные подтверждения крайне скудны: есть фрагментарные свидетельства касательно миксобактерии Myxococcus xanthus и слизевика Dictyostelium discoideum. Поэтому пока мы имеем лишь ассоциацию, выявленную на большой выборке.

Но и она делает липоксигеназы кандидатами в самые древние и универсальные сигнальные ферменты. Такое подозрение у ученых было и раньше, но при скудных данных о бактериях и простейших выглядело оно умозрительно. Наше исследование позволило отчасти заполнить эту брешь. Эволюционный анализ показал, что появление липоксигеназ в различных таксонах было связано с обретением ими многоклеточности — даже примитивной. Могли ли липоксигеназы сыграть роль в появлении многоклеточности как таковой? И если да, то каким образом? Это еще предстоит исследовать. Несмотря на свой теоретический характер, этот вопрос интригует, ведь речь идет о происхождении той сложности, которая дала начало и нам, людям, и привычному нам облику биосферы.

И, несмотря на большое количество оставшихся вопросов, наше эволюционное исследование позволяет предположить, что удивительно близкие функции липоксигеназ у читателя и у герани на его окне — пример эволюционной консервативности, а не параллельного развития.

На этом, по первоначальному замыслу, работа должна была закончиться, оставшись чисто общебиологической. Но в «сухом остатке» осталось много бактериальных липоксигеназ, никак не укладывавшихся в гипотезу об ассоциации с многоклеточностью. Мы распределили их хозяев по различным экологическим группам (рис. 9). И многие из них оказались патогенами или симбионтами.


Зачем бактериям и простейшим липоксигеназы?

Рис. 9. Распределение бактерий, имеющих липоксигеназу, по экологическим ролям. При этом мы исключили виды, экофизиология которых еще не описана. Заметно, что значительная часть бактерий перечисленных порядков проявляет патогенные или симбиотические свойства. График построен по данным, приведенным в обсуждаемой статье


Среди выявленных носителей липоксигеназы не оказалось высоковирулентных специализированных возбудителей, таких как чумная палочка или холерный вибрион. Они все были оппортунистическими патогенами — то есть патогенами, которые атакуют только лиц со сниженным иммунитетом или сопутствующими заболеваниями. Особенно опасны они способностью вызывать внутрибольничные инфекции.

Прежде всего, хотя это и не было для нас новостью, это уже упоминавшаяся и хорошо известная синегнойная палочка (Pseudomonas aeruginosa). новостью оказалось то, что среди носителей липоксигеназы оказалось много видов с аналогичными функциями: известные нозокомиальные патогены Acinetobacter baumannii, Enterobacter cloacae и Pluralibacter gergoviae, большое количество буркхолдерий (Burkholderia), недавно открытый опасный вид Cedecea lapagei, возбудитель пневмонии Klebsiella pneumoniae и другие. По клиническим характеристикам эти бактерии, судя по литературным данным, схожи с синегнойной палочкой: они так же опасны для пациентов с лейкемией, муковисцидозом, пациентов после хирургических вмешательств. Многие из этих бактерий вызывают клинически похожие инфекции. Поэтому мы предположили, что липоксигеназы они также используют сходным образом.

Наши эволюционные исследования подтвердили эту гипотезу: по всей видимости, возбудители оппортунистических инфекций обмениваются друг с другом генами липоксигеназ чрезвычайно быстро. И массово «раздает» липоксигеназу другим патогенам как раз синегнойная палочка. Но и сама она когда-то получила свои липоксигеназы от буркхолдерий. Такое массовое горизонтальное распространение среди патогенов характерно только для факторов вирулентности и генов резистентности к антибиотикам. Скорее всего, и липоксигеназы в «руках» некоторых бактерий опаснее, чем мы себе представляли.


Зачем бактериям и простейшим липоксигеназы?

Зачем бактериям и простейшим липоксигеназы?

Рис. 10. Горизонтальный перенос генов липоксигеназ между оппортунистическими патогенами. Слева — филогенетическое дерево для «группы P. aeruginosa», которая на рис. 4 выглядит маленьким изолированным кластером. Здесь мы обозначили бутстрэп-поддержку не толщиной линий, а цветом (красный — недостоверно, зеленый — достоверно, желтый — промежуточные значения). Единственные зеленые островки на этом дереве обозначают предполагаемые горизонтальные переносы гена липоксигеназы от синегной палочки к другим видам. Следует отметить, что большинство последовательностей в этой группе отличаются друг от друга лишь единичными аминокислотными заменами. В таком случае высокий бутстрэп у горизонтальных переносов может быть, если последовательности почти идентичны, то есть сам перенос состоялся совсем недавно по эволюционным меркам (точной датировки мы пока не проводили). Такое быстрое распространение липоксигеназы между патогенными видами служит подтверждением ее связи с вирулентностью. Внизу — филогенетическое дерево, показывающее, что и сама синегнойная палочка получила липоксигеназу горизонтальным переносом от патогенных и симбиотических представителей порядка Burkholderiales. Рисунки из обсуждаемой статьи


Но мало констатировать связь с вирулентностью — надо дополнительно прояснить механизм. Варианта было два: «атака в лоб» с прямым разрушением клеточных мембран и «способ обмана» — синтез при помощи липоксигеназы медиаторов, подавляющих иммунный ответ хозяина.

С уверенностью исключить ни одну из этих гипотез мы не смогли. Но больше данных в пользу второго варианта. Во-первых, среди носителей липоксигеназы симбиотические свойства оказались почти так же распространены, как патогенные. Правда, обычно они выражены в виде симбиоза с растениями или беспозвоночными, а не с человеком. Наиболее характерной симбиотической функцией таких бактерий является стимуляция роста растения-хозяина.

Важно, что и патогенам, и симбионтам необходимо подавить иммунный ответ хозяев на их присутствие. А вот взламывать клеточные мембраны симбионту не нужно. При этом в пределах одной эволюционной клады липоксигеназы симбионтов соседствуют с липоксигеназами патогенов, что указывает на биохимически сходное использование и заимствование друг от друга горизонтальным переносом. Так что, скорее всего, липоксигеназы патогенов и симбионтов выполняют сходную функцию — подавляют иммунный ответ путем синтеза определенных оксилипинов.

По данным нашего эволюционного анализа, распространение липоксигеназ началось со свободноживущих многоклеточных видов (предположительно — с цианобактерий). Производимые ею оксилипины уже у бактерий стали универсальным межклеточным кодом общения. Но появилась небольшая группа бактерий, «взломавших» этот код и научившихся подделывать его в своих корыстных интересах (рис. 11).


Зачем бактериям и простейшим липоксигеназы?

Зачем бактериям и простейшим липоксигеназы?

Рис. 11. Та же филогенетическая сеть липоксигеназ, что и на рис. 4, но на этот раз голубыми кружочками помечены клады с многоклеточной морфологией, красными — патогены или симбионты, черными — клады с неясным предназначением липоксигеназ. Здесь четко видно, что липоксигеназы сначала распространились среди многоклеточных форм (видимо, участвуя в межклеточной сигнализации), и лишь затем относительно небольшая группа бактерий перешла на «темную сторону», научившись использовать их как оружие. Рисунок автора


К сожалению, по этой группе тоже много вопросов. Наше исследование позволяет отчасти экстраполировать неплохие экспериментальные данные по синегнойной палочке на остальных «злодеев» из нашей истории. Скорее всего, речь тоже идет о выработке каких-то противовоспалительных эйкозаноидов. Но насколько эта функция важна для вирулентности? Что может в перспективе дать ее блокирование? На этот вопрос не ответить без экспериментов (которых пока не проведено). От ответа на него зависит, что нам дальше делать с липоксигеназами нозокомиальных патогенов — оставить чисто научным фактом или по-настоящему бить тревогу и пытаться разработать способы их блокировки? Или, хотя бы, научиться отслеживать штаммы с липокигеназой методами ПЦР для своевременных дезинфекционно-карантинных мероприятий, как мы сейчас делаем с коронавирусом? Хотелось бы подчеркнуть еще раз: если коронавирус является примером внебольничного «нового» патогена, то липоксигеназоположительные бактерии в большинстве своем — «новые» внутрибольничные патогены. Они опасны для ослабленных пациентов в больницах, и конца света от них ждать явно не приходится. Но безопасность больниц прямо зависит от того, насколько мы сможем с ними справляться.

В итоге наша работа как бы разбилась на две части: биологическую и медицинскую. Из каждой можно при желании сделать продолжение, углубляясь в эволюцию или медицинскую микробиологию. И каждая по объему выводов могла бы стать полноценной статьей, но общие наборы данных и методика продиктовали решение написать одну научную статью, в которой обрисовано исследование липоксигеназ бактерий и простейших «крупными штрихами». Оно оставило много интересных вопросов, в которых, надеемся, удастся разобраться. Но в нем еще много интересного, так что продолжение следует!

Источник: Георгий Куракин, Анна Самоукина, Надежда Потапова. Липоксигеназы бактерий и простейших могут участвовать в межклеточной сигнализации и подавлении иммунного ответа // Биохимия. 2020. DOI: 10.31857/S0320972520090067.

Георгий Куракин


31 октябрь 2020 /
  • Не нравится
  • 0
  • Нравится

Похожие новости

Репликация ДНК и транскрипция могут иметь общее происхождение

Происхождение механизма репликации ДНК окутано тайной. Дело в том, что ферменты, обеспечивающие удвоение цепочек ДНК — ДНК-полимеразы — у организмов из трех доменов жизни неродственны друг другу.

Эволюционное древо зеленых растений усложняется

Прочтение ядерного генома микроскопической океанской водоросли празинодермы привело ученых к выводу, что она принадлежит к особой эволюционной ветви. Раньше считалось, что группа зеленых растений

Сценарий происхождения высших растений во многом похож на сценарий происхождения животных

Исследования геномов высших растений и их родственников, относящихся к стрептофитовым водорослям, привели биологов к двум выводам. Во-первых, высшие растения не выходили на сушу, будучи

Экспериментально показано образование многоклеточных эукариот из одноклеточных предков

Американские ученые с помощью изящной методики смогли получить многоклеточный организм из одноклеточных дрожжей. Кластеры нарастали за счет того, что дочерние клетки после деления оставались вместе с

Новооткрытый микроб заполняет брешь между прокариотами и эукариотами

В донных осадках на глубине 3283 м в Северном Ледовитом океане обнаружены микроорганизмы из надцарства архей, более близкие к эукариотам, чем любые другие прокариоты. Судя по набору генов, новая

В бактерию без циркадных ритмов встроили «часы» от цианобактерии

Ученые снабдили молекулярными циркадными часами бактерию, у которой не было природных циркадных ритмов. К таким часам можно подключить любые гены, и их работа станет зависимой от времени суток. С
Комментарии

НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Код:
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив
Введите код:
Популярные новости
Ответ на вопрос – зачем в древности был нужен и как использовался «Римский додекаэдр».Америка-2020 как АтлантидаВ группе Дятлова их было 12 по АПВЕРГИДуАмериканская компания Pfizer объявила о создании рабочей вакцины от коронавирусаФизики говорят, что Вселенная наполнена загадочной субстанцией, называемой «квинтэссенцией»Пирамида Хеопса состоит из трёх пирамидНастоящий Монте-КристоХаббл заметил тень от сверхмассивной черной дыры в галактике IC 5063