Роль регуляторных РНК в бактериальных патогенах (аннотация)
С момента открытия первых регуляторных РНК у бактерий количество данных о потенциальных РНК-регуляторах постоянно увеличивается, особенно в последние пару лет.
Последние технические достижения привели к идентификации большого количества самых разнообразных регуляторных РНК, а также их потенциальных мишеней. Хотя не все их биологические роли и молекулярные механизмы действия известны, мы начали понимать их важность в регуляторных сетях, регулирующих бактериальную физиологию и инфекционные процессы.
В бактериальных патогенах некодирующие РНК были недавно идентифицированы как центральные игроки, перепрограммирующие экспрессию генов в ответ на ограничения окружающей среды, чтобы адаптировать бактериальную физиологию и метаболизм к условиям хозяина. Этот обзор посвящен роли регуляторных РНК бактериальных патогенов. Мы отобрали 12 работ, включающих 6 оригинальных научных статей и 6 обзоров, охватывающих различные аспекты регуляции на основе РНК у патогенов, которые относятся как к грамположительным, так и к грамотрицательным бактериям. Хотя многие из них посвящены патогенам человека и животных, включая внеклеточные (Helicobacter pylori, Yersinia pseudotuberculosis, Pseudomonas aeruginosa, Bacillus anthracis), внутриклеточные (Listeria monocystogenesis) и условно-патогенные (Staphyloccocus aureus, Streptococci), в одной работе также представлены результаты по фитопатогенной бактерии (Dickeya dadantii).
Обзор Felden и Augagneur дает хороший обзор разнообразия патофизиологических и метаболических процессов, на которые направлено действие РНК, а также разнообразия самих РНК с точки зрения их геномного расположения, биогенеза и способа действия. Недавние исследования расширили границы классов регуляторных РНК за счет постоянно открываемых новых механизмов действия и биогенеза. Они предлагают широкое определение бактериальной сРНК (sRNA - бактериальные малые РНК) как любой молекулы РНК, которая взаимодействует с другими участниками для регуляции экспрессии генов.
Четыре обзорные статьи посвящены риборегуляции у конкретных патогенов, причем в трех из них особое внимание уделяется грамположительным патогенам. Во-первых, Tejada-Arranz и De Reuse рассмотрели различные аспекты регуляторных механизмов на основе РНК у важного грамотрицательного патогена желудка H. pylori. Поскольку у этого патогена описано всего несколько транскрипционных регуляторов, посттранскрипционный уровень занимает важное, но оригинальное место в контроле экспрессии генов для эффективной колонизации враждебной кислой среды внутри желудка. Отсутствие хорошо описанных шаперонов Hfq и ProQ позволяет предположить, что H. pylori не следует общим правилам, установленным для таких модельных бактерий, как Escherichia coli и Salmonella. Авторы также подчеркивают роль риборегуляции в формировании персистеров через механизмы токсин-антитоксин и в изменении фазы.
Во-вторых, обзор Krawczyk-Balska et al. обобщает 20 лет исследований РНК-опосредованной регуляции вирулентности и метаболизма у L. monocytogenes, начиная с идентификации термосенсора в 5′UTR гена, кодирующего главный регулятор вирулентности PrfA. У этого патогена был обнаружен ряд уникальных регуляторных механизмов, включая редкие среди грамположительных бактерий примеры РНК-шаперонов Hfq-ассоциированных РНК (LhrA, LhrB и LhrC1-5), а также первые доказательства того, что рибосвитч-производная сРНК SreA действует транс-транс для ингибирования трансляции мРНК PrfA, новые двухфункциональные длинные антисмысловые РНК, названные эксклюдонами, действующие одновременно как цис-антисмысловые РНК и мРНК, и, наконец, секретируемые РНК, которые модулируют врожденный иммунный ответ хозяина через взаимодействие с РНК-сенсором RIG-I.
У S. aureus регуляторные РНК вместе с транскрипционными регуляторами занимают центральное место в регуляторной сети, обеспечивая успешную адаптацию этого оппортунистического патогена к различным очагам инфекции. Помимо хорошо описанной РНК III, обзор Barrientos et al. собирает кусочки головоломки из наших современных знаний о риборегуляции, контролирующей метаболизм, стрессовые реакции и вирулентность. Авторы обсудили будущие задачи по заполнению пробелов в этой регуляторной головоломке, чтобы понять значение последних данных о различных взаимосвязях сРНК и выявить новые РНК-связывающие белки, важные для метаболизма и действия РНК в S. aureus.
В дополнение к этим работам, несколько исследователей рассмотрели роль сРНК в сложных регуляторных сетях, организующих контроль экспрессии факторов вирулентности на разных стадиях бактериальной инфекции. Они подчеркнули взаимосвязь транскрипционной регуляции транскрипционными факторами и посттранскрипционной регуляции сРНК.
Роль сРНК, контролируемых двухкомпонентной системой CiaRH, в адаптации бактерий, их вирулентности и резистентности к антибиотикам и иммунной системе хозяина обсуждается в обзоре Jabbour и Lartigue. Эти сРНК консервативны у представителей рода Streptococcus. Авторы представили полный перечень этого класса сРНК, названных csRNAs, и рассмотрели открытые вопросы о наличии и роли множественных гомологичных сРНК в регуляторах CiaRH.
Corsi et al. охарактеризовали две регуляторные сРНК, экспрессия которых зависит от главного регулятора вирулентности B. anthracis AtxA, а Böhme et al. продемонстрировали контроль сРНК CsrC со стороны YmoA, члена семейства Hha у Y. pseudotuberculosis. Экспрессия факторов вирулентности находится в тесной связи с адаптацией к стрессу.
Ferrara et al. охарактеризовали сРНК под названием ErsA, предполагая ее роль в регуляции главного регулятора анаэробиоза у P. aeruginosa, а Scheller et al. описали РНК-термометр в 5′UTR транскрипта Y. pseudotuberculosis ompA, участвующего в температурно-зависимом контроле этого белка наружной мембраны организма хозяина, известного как важный фактор вирулентности.
Наконец, исследование Leonard et al. на штаммах D. dadantii, дефектных по РНК-шаперонам Hfq и ProQ, позволяет предположить, что сРНК будут регулировать мишени на различных этапах инфекционного процесса. Отсутствие этих хорошо изученных РНК-шаперонов в некоторых группах бактерий или их сомнительная роль в большинстве грамположительных бактерий предполагает участие дополнительных белков в регуляции на основе сРНК.
РНК-опосредованное перекрестное взаимодействие хозяина и патогена может быть даже более глубоким. Li и Stanton обсуждают недооцененную роль внеклеточных везикул (EVs) для переноса сРНК, особенно фрагментов тРНК, и роль EVs в меж- и внутрицарственных коммуникациях без прямого контакта клетка-клетка. Основываясь на результатах, полученных на P. aeruginosa и H. pylori, авторы предполагают, что продукты фрагментов тРНК, доставляемые в клетки хозяина с помощью EVs, позволяют им перехватывать иммунный ответ хозяина для повышения выживаемости патогена, и что этот механизм широко распространен. Действительно, в недавних исследованиях изучался secRNome основных грамотрицательных и грамположительных патогенов, включая секретируемые РНК и РНК, производимые везикулами, которые могут модулировать иммунный ответ хозяина как новый механизм взаимодействия хозяина и патогена (Lécrivain and Beckmann, 2020).
В дополнение к тРНК в качестве потенциального источника регуляторных РНК, Stenum et al. описали три сРНК, названные RrA, RrB и RrF, генерируемые из тРНК-связанных повторов, расположенных ниже по течению от гена 5S в рибосомных оперонах rrnA, rrnB и rrnD в E. coli. Несмотря на скромные фенотипические эффекты делеции или сверхэкспрессии этих последовательностей в E. coli, их сохранение у различных энтеробактерий, включая патогенные виды, позволяет предположить роль этих сРНК в тонкой регуляции процессов, связанных с фазой роста.
У эукариот, наряду с многочисленными тРНК-производными фрагментами, контролирующими важные клеточные процессы, было идентифицировано несколько функциональных миРНК, которые ко-транскрибируются с первичными транскриптами рРНК. Дальнейшие исследования позволят определить функции этих недавно описанных бактериальных сРНК, происходящих из рибосомальных оперонов.
Гены регуляторных РНК могут располагаться не только в бактериальных хромосомах, но и в составе мобильных генетических элементов, включая РНК, ассоциированные с профагами, островками патогенности и плазмидами. В качестве примера, Corsi и др. охарактеризовали две сРНК XrrA и XrrB, кодируемые плазмидой вирулентности pXO1 B. anthracis. Эти сРНК высоко консервативны у близкородственных видов, несущих pXO1-подобные плазмиды, и, несмотря на их плазмидные локусы, эти регуляторные РНК контролируют множество целевых генов на хромосоме, что ставит эти РНК в центр перекрестного взаимодействия между генетическими элементами B. anthracis. Это второй пример транскрибируемой плазмидой регуляторной сРНК, контролирующей кодируемые хромосомой мишени, связанные с вирулентностью, что позволяет предположить, что такая регуляция может быть широко распространена.
Все эти оригинальные исследования и обзорные статьи подчеркивают важность механизмов, основанных на РНК, в бактериальных патогенах. Многочисленные новые аспекты этих регуляторов, формирующих адаптивные и патогенные процессы как в бактерии, так и в ее хозяине, еще предстоит изучить, что создает несколько направлений для будущих исследований. Среди них, будущие исследования должны быть посвящены вопросам о роли РНК в регуляторном взаимодействии бактериальных патогенов с их хозяевами и внутри сложных микробных сообществ с акцентом на взаимодействие сРНК с РНК-связывающими белками бактерий и хозяев, роли РНК в образовании персистеров, в изменении фаз и во взаимодействии между мобильными генетическими элементами и бактериальными хромосомами, что ставит под сомнение эволюционные аспекты передачи и поддержания регуляторных РНК.
Кроме того, следует изучить интеграцию регуляторных РНК в сложные генетические цепи и влияние клеточных компартментов на регуляцию сРНК. Такие накопленные знания должны стать отличной основой для инновационных терапевтических подходов, направленных на белковые и РНК-компоненты регуляторных сетей для контроля развития патогенов и распространения адаптивных признаков в бактериальных популяциях.
