Основно съдържание
Курс: Биологична библиотека > Раздел 14
Урок 2: Комуникация в едноклетъчни организмиСигнализиране на две клетки в едноклетъчни организми
Как едноклетъчните организми използват сигнали за комуникация. Типове на чифтосване на дрождите, кворум наблюдение при бактериите и биофилми.
Въведение
При многоклетъчни организми (като нас самите), сигнализацията между две клетки позволява на клетките да координират своите дейности, уверявайки се, че тъкани, органи и системи функционират правилно. Означава ли това, че едноклетъчните организми като дрожди и бактерии не използват сигнални пътеки между две клетки?
Всъщност, тези организми пак трябва да "говорят" едни с други. Клетките може да не са част от един и същи организъм, но те принадлежат на една и също популация и – точно както хората в една човешка популация – имат нужда от начини да комуникират за междуличностни или общностни въпроси. Бактериите, например, използват химични сигнали, за да засекат гъстотата на популацията (колко други бактерии има в областта) и да променят поведението си съответно, докато дрождите произвеждат химични сигнали, които им позволяват да си намерят партньори.
Тук ще разгледаме по-отблизо как едноклетъчните организми "говорят" едни с други, като използват химични сигнали.
Кворум наблюдение при бактерии
Много години се е смятало, че бактериите били предимно самотници, взимащи решения на индивидуално, а не на общностно ниво.Но в последните години стана ясно, че много видове бактерии участват във форма на сигнализиране клетка-към-клетка, наречено кворум наблюдение.
При кворум наблюдението бактериите наблюдават гъстотата на популацията (броят други бактерии в областта) въз основа на химични сигнали. Когато сигнализирането достигне до прагово ниво, всички бактерии в популацията ще променят поведението си или генната си експресия едновременно.
Кворум наблюдение при симбиоза
Кворум наблюдението било открито за пръв път при Aliivibrio fischeri, бактерия, която има симбионтна (взаимно изгодна) зависимост с хавайската опашата сепия
Когато бактериите A. fischeri са във вътрешността на светлинния орган на калмара, те излъчват светлина, но когато живеят свободно в океана, не го правят. В продължение на десетилетия работа учените откриха, че бактериите използват кворум наблюдение, за да решат кога да произведат биолуминисценция. За самотна бактерия извършването на химични реакции, които излъчват светлина, би било метаболитно разхищение, тъй като те не дават никакво предимство без калмар гостоприемник. Обаче когато много бактерии са натъпкани нагъсто в светлинния орган, излъчването на светлина представлява предимство: то позволява на бактериите да изпълнят своята част от симбиозната сделка, предпазвайки своя калмар гостоприемник (своя източник на храна) да не бъде изяден от хищници.
Механизми на кворум наблюдение
Наблюдението на кворум е базирано на производството и засичането на автоиндусери – сигнализиращи молекули, постоянно секретирани от бактериите, за да обявят присъствието си на съседите си (обикновено това са съседи от същия вид). Автоиндусерите позволяват на бактериите да усетят гъстотата на популацията и да променят поведението си по синхронизиран начин, когато гъстотата достигне определена граница.
В някои видове бактерии секретираните автоиндусери са малки хидрофобни молекули като ацил-хомосерин лактон (AHL). AHL е автоиндусерът, секретиран от бактерията A. fischeri, която населява светлинния орган на сепията. При други видове бактерии автоиндусерите може да са пептиди (къси протеини) или други видове малки молекули
Понеже AHL е малка и хидрофобна молекула, тя може свободно да дифундира през мембраните на бактериалните клетки.
- Когато има малко клетки в областта, малката молекула AHL, която бива секретирана, ще дифундира в околната среда и нивата на AHL в клетките ще останат ниски.
- Когато присъстват повече бактерии, ще бъдат произведени по-голямо количество AHL (благодарение на по-големия брой участници).
- Ако нивата на AHL нараснат достатъчно, което означава критична плътност от бактерии, AHL ще се свържат с клетките и ще активират рецепторен протеин в тях.
- Активният рецептор действа като фактор на транскрипцията, прикрепяйки се към специфични места в ДНК на бактерията и променяйки активността на близки целеви гени.
В A. fischeri факторът на траскрипция включва гени, които кодират ензими и субстрати, необходими за биолуминесценция, както и ген за ензима, който произвежда самото AHL (увеличавайки отговора в кръг с положителна обратна връзка)
Като цяло, всеки вид бактерии има собствен автоиндусер със сходен рецептор, който е силно специфичен (няма да бъде активиран от автоиндусер от различна бактерия). Но някои видове автоиндусери могат да бъдат произведени и засечени от множество видове бактерии. Учените проучват как тези молекули може да позволяват междувидова комуникация
Кворум наблюдение и биофилми
Някои видове бактерии с кворум наблюдение образуват биофилми – захванати върху повърхност общности от бактериални клетки, които се прикрепят една към друга и към техния субстрат (подлежаща повърхност). Биофилмите могат да са доста сложни, като бактериалните клетки се организират, за да образуват подредени структури, а някои биофилми съдържат множество видове съвместно съществуващи бактерии.
Въпреки че много неща остават неизвестни за биофилмите, се налага схващането, че те играят важна роля в човешкото здраве и заболявания. Например S. aureus колонизира повърхостта на катетъра по-горе, като се организира в биофилм. Кворумното наблюдение може да играе важна роля в образуването, поддръжката и разпадането на биофилмите.
Сигнализация при дрожди
Дрождите, които ферментират грозде във вино или карат хляба да се надигне, са едноклетъчни еукариоти. Те не са нито животни, нито растения, а вид гъбички. (Вкусно!) Някои хлебни дрожди са показани на микроскопското изображение по-долу.
Една от най-добре проучените сигнални пътеки при дрождите е пътеката на фактора на чифтосване. Напъпили дрожди могат да се чифтосат при процес, подобен на полово размножаване, при което две хаплоидни клетки (клетки с единичен набор от хромозоми, подобни на човешките сперматозоиди и яйцеклетки) се комбинират, за да образуват диплоидна клетка (клетка с двоен набор хромозоми като соматичните клетки в човека). След това диплоидната клетка може да премине през мейоза, за да произведе хаплоидни клетки с нови комбинации от генетичен материал.
За да намерят друга хаплоидна дрождна клетка, която е приготвена да се сноши, напъпващите дрожди секретират сигнална молекула, наречена фактор за сношаване. Факторът за сношаване има две различни версии, както и неговия рецептор, и тази система може да помогне на дрождите да се сношават с други дрожди, които не са близки роднини. Свързването на фактора на сношаване към съвместим рецептор задейства сигнална каскада, която кара дрождите да произведат израстък, така че да могат да се слеят с партньора си. Можеш да видиш детайлите на този път във видеото за клетъчно сигнализиране при възпроизвеждането на дрождите
Ако погледнеш отблизо сигнализиращия път за фактора на сношаване, ще откриеш, че той включва видове молекули, срещани и при хората. Например рецепторът за фактора на сношаване е G протеин-свързан рецептор и действа чрез МАР киназа сигнален път като този, използван при сигнализирането за човешкия растежен фактор
Искаш ли да се присъединиш към разговора?
Все още няма публикации.