Бактерии могут быть весьма агрессивными. Вооруженные впечатляющим набором механического и биохимического оружия, они не церемонятся в борьбе со своими врагами.
Среди этого оружия выделяется секреторная система VI типа (T6SS) - встроенная в мембрану наномашина, встречающаяся у многих грамотрицательных бактерий. Иглоподобная система помогает бактериям противостоять прокариотическим и эукариотическим клеткам, впрыскивая в них вредные белки (эффекторы), такие как порообразующие токсины и нуклеазы. T6SS также способствуют выживанию бактерий другими способами, в том числе облегчая получение ресурсов (например, металлов). Изучая это микробное оружие, исследователи пытаются понять, как его можно использовать для создания вакцин, синтеза новых противомикробных препаратов и многого другого.
Колоть и стрелять: структура и механизм работы T6SS
T6SS является одной из 9 известных бактериальных систем секреции, которые переносят белки изнутри бактериальной клетки во внешнюю среду или в другую клетку. Каждая система секреции немного отличается по своей структуре, активности и назначению - основная функция T6SS заключается в уничтожении других бактерий, но она также модулирует взаимодействие бактерий с эукариотическими клетками.
Гены, кодирующие T6SS, обнаружены более чем у 25% видов грамотрицательных бактерий. Система состоит из сокращающейся, покрытой оболочкой иглы, которая охватывает внутреннюю и внешнюю мембрану бактериальной клетки. Время и место активации T6SS зависит от различных факторов окружающей среды, включая кворумное зондирование, изменения pH и температуры. Когда T6SS активируется, игла выстреливает, чтобы проткнуть соседние клетки и доставить смертоносные эффекторы в микробных противников. Это позволяет бактериям убивать своих конкурентов и освобождать пространство и ресурсы для собственного использования.
Вообще, таскать с собой кучу токсичных соединений рискованно. Бактерии, содержащие 1 или более T6SS - Yersinia pestis, возбудитель чумы, имеет до 6 - должны быть способны защитить себя от эффекторов, которые они несут. Часто защита осуществляется в виде белков иммунитета. Эти белки связываются с эффектором в клетке и делают его неактивным. Иммунные белки также могут защищать бактерии от нападения других клеток: если бактерия имеет иммунный белок (белки), соответствующий эффектору (эффекторам) нападающей клетки, она защищена. Таким образом, бактериям не могут убивать своих сородичей, у которых есть необходимые белки иммунитета, уничтожая при этом "чужие" клетки. Существуют также независимые от иммунных белков формы самозащиты и обороны, такие как активация стрессовых реакций.
Функции T6SS в сообществах прокариотов
Боевые действия, опосредованные T6SS, помогают определить, какие микроорганизмы выживают в условиях жесткой конкуренции, например, в кишечнике. Здесь тысячи бактерий борются за ограниченное число пространственных и питательных ниш; те из них, которые обладают Т6SS, могут иметь преимущество перед своими конкурентами. Например, Bacteroides fragilis, многочисленный член кишечной микробиоты, использует свой T6SS для борьбы с другими бактероидами (порядок, к которому принадлежат B. fragilis и большинство грамотрицательных бактерий кишечника).
В этом смысле T6SS способствуют колонизационной резистентности против патогенных бактерий и помогает победить нарушителей. Недавнее исследование показало, что патогенный кишечный микроорганизм мыши Citrobacter rodentium (модель для патогенной Escherichia coli человека) использует T6SS для колонизации кишечника мыши, нацеливаясь на комменсальные Enterobacteriaceae. Резидентные виды E. coli, в свою очередь, используют T6SS для борьбы с вторжением C. rodentium. Человеческие патогены, такие как Salmonella enterica серовар Typhimurium и Vibrio cholerae, также используют свои T6SS для уничтожения резидентных видов микроорганизмов и прокладывают себе вход в сообщество.
Роль T6SS в колонизационной резистентности не ограничивается животными-хозяевами - она также применима в контексте растительно-ассоциированной микробиоты и патогенов. Более того, системы T6SS выполняют и другие функции, помимо регулирования смертельной борьбы бактерий. Например, бактерии могут выделять с помощью T6SS белки, которые забирают ионы металлов (например, цинк и железо, которые важны для многочисленных клеточных процессов) из окружающей среды и возвращают их в клетку, тем самым обеспечивая получение ресурсов и выживание. Кроме того, при опосредованном T6SS лизисе клеток-жертв высвобождается ДНК, которая может быть поглощена атакующей стороной, что может способствовать межбактериальной передаче генов резистентности к антибиотикам.
Эффекторы Т6SS и эукариотические клетки
Хотя T6SS в первую очередь связана с ее антибактериальными способностями, она также может нацелена на эукариотические клетки (например, клетки млекопитающих и грибов). В этом отношении эффекторы, секретируемые T6SS, имеют важное значение для вирулентности патогенов и инфекции. Фактически, когда T6SS была впервые обнаружена у V. cholerae в 2006 году, было показано, что она секретирует белки, необходимые для бактериальной цитотоксичности в отношении макрофагов млекопитающих. Лишь позднее стали известны ее антибактериальные возможности.
С тех пор было показано, что различные эффекторы T6SS влияют на реакцию хозяина и вирулентность бактериальных патогенов. Например, энтерогеморрагическая кишечная палочка (EHEC), патоген пищевого происхождения, выделяет каталазу через T6SS, которая способствует ее выживанию в макрофагах. Каталаза, KatN, снижает выработку макрофагами реактивных форм кислорода, которые повреждают бактериальные клетки. Francisella tularensis, внутриклеточный патоген и возбудитель туляремии, также выделяет эффектор T6SS, который снижает уровень провоспалительного цитокина TNF-α в моноцитах in vitro, что указывает на его потенциальную иммуномодулирующую функцию.
T6SS также регулируют грибково-бактериальные отношения и, таким образом, могут влиять на результат взаимодействия хозяина и микроорганизмов. Например, Acinetobacter baumanii выделяет ДНКазу из своего T6SS, которая нацелена на ядра грибковых клеток, что приводит к их гибели. Другой пример: Serratia marcescens, условно-патогенный микроорганизм, выделяет противогрибковые эффекторы, которые повреждают мембраны и нарушают поглощение питательных веществ грибковыми клетками, включая патогенные виды Candida.
Использование T6SS
T6SS делают много работы для бактерий и ученые исследуют как они могут работать и для человека. В исследовании 2016 года ученые показали, что соединение антигена с белками оболочки T6SS из E. coli и V. cholerae привело к образованию наночастиц на основе T6SS, которые могут служить средствами доставки вакцин. Более того, недавно ученые экспрессировали T6SS в непатогенной бактерии V. natriegens, которую можно включать/выключать с помощью внешнего сигнала (например, сахара арабинозы). Системой на основе T6SS можно легко манипулировать для высвобождения разнообразных эффекторов и разработки новых противомикробных препаратов.
Сама система T6SS может стать подходящей мишенью при разработке новых антибиотиков. Такие антимикробные препараты могут эффективно "обезвредить" патогенные бактерии, предотвращая высвобождение факторов вирулентности, связанных с T6SS. Эта система также имеет значение для биоконтроля (т.е. использования организмов для борьбы с патогенами растений). Например, T6SS Pseudomonas putida, почвенной бактерии и хорошо зарекомендовавшего себя агента биоконтроля, играет центральную роль в способности этого микроорганизма убивать патогены. Таким образом, механизм T6SS в биоконтроле должен учитываться при выборе и разработке агентов в будущем.
Пока что вышеперечисленные варианты использования T6SS остаются на концептуальной стадии. Тем не менее, как и в любом другом научном направлении, нам предстоит еще многое узнать о структуре и функции T6SS у различных видов бактерий. С этим пониманием придет более четкое представление о его потенциальном применении.
