ТРАВМИРОВАННЫЕ ФОРМЫ БАКТЕРИЙ И РЕАКЦИЯ НА СТРЕССОВЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ

Множество физических и химических факторов могут оказывать неблагоприятное действие на бактериальную клетку. Токсические вещества, неблагоприятная температура, pH, облучение в пределах видовой чувствительности организма не препятствуют существованию бактерий. Существенные изменения условий в неблагоприятную сторону приводят к отмиранию клеток. При некоторых воздействиях, которые обычно обозначают как сублетальные, клетки не погибают сразу, но оказываются травмированными. Их дальнейшая судьба в значительной степени зависит от условий, в которых они окажутся. У них во многих случаях нарушаются барьерные функции мембран, наблюдается выход в среду некоторых метаболитов, нарушается синтез белка, возникают нарушения в структуре ДНК. Условия, вполне благоприятные для развития не- травмированных бактерий, могут быть гибельными для травмированных клеток. Бактерии, подвергнутые ряду воздействий, гибнут на средах с повышенной концентрацией солей, совершенно не опасных для нормальных клеток, или на средах с поверхностноактивными соединениями, также в концентрациях, не влияющих на рост нормальных клеток. Эти факторы иногда определяют как селектирующие здоровые клетки от травмированных. В качестве таких факторов могут выступать pH, температура, даже определенные пищевые субстраты.

Травмированные клетки, помещенные в благоприятные условия, способны репарировать, т.е. исправлять повреждения различных структур. Внимание исследователей в последнее время привлечено к изучению механизмов восстановления повреждений ДНК. Что же касается репараций повреждений других структур клетки, то их механизмы еще мало изучены. Известно, что для репарации функций мембран требуется значительное время, и их восстановление связано с синтезом белка и РНК, а иногда необходим синтез фосфолипидов. В различных случаях благоприятные для репарации условия могут в корне различаться. Например, иногда репарация идет лучше в богатых, а иногда в бедных средах. Это справедливо и для репарации повреждений ДНК.

Известен ряд систем репарации повреждений ДНК. Эти системы специфичны в отношении не тех или иных воздействий, а определенных нарушений структуры ДНК.

Прямая фотореактивация. Она наблюдается при освещении клеток видимым или ближним УФ-светом и состоит в разрезании пиримидиновых димеров в ДНК. Последние возникают обычно при воздействии на клетки среднего или дальнего УФ-света, поэтому особое значение фотореактивация имеет именно при его воздействии. Процесс фотореактивации связан с действием фермента фотолиазы, которая связывается с пиримидиновыми димерами. Активация фермент-субстратного комплекса светом с длиной волны 300—600 нм приводит к мономеризации димеров.

Непрямая фотореактивация. Она имеет пик облучения в области 340 нм. Снижение эффекта УФ-облучения в этом случае объясняется задержкой роста бактерий, в результате чего удлиняется период протекания репарационных процессов. Непрямая фотореактивация, таким образом, не связана с работой каких-либо специальных репарационных систем.

Эксцизионная репарация. Она состоит в удалении поврежденного участка ДНК одной цепи и восстановлении нормальной последовательности оснований по матрице оснований на комплементарной цепи. Вырезание повреждений осуществляется непосредственно эндонуклеазой, которая узнает нарушения. У Е. coli эта функция выполняется комплексом эндуклеаз, кодируемых генами uvr A, uvr В, uvrC.

Рекомбинационная репарация включает рекомбинацию двух типов. При рекомбинации первого типа заполняется пробел в последовательности оснований во вновь синтезированной цепи ДНК на месте поврежденного участка. При рекомбинации второго типа осуществляется восстановление двунитевых разрывов в ДНК, возникающих под действием УФ-света, ионизирующей радиации, других повреждающих факторов.

Травмированные клетки восстанавливают причиненные им повреждения, и под влиянием сублетальных воздействий неблагоприятных факторов происходят перестройки в процессах метаболизма клетки, имеющие очевидное адаптивное значение. Более того, оказывается, что воздействие неблагоприятных условий нередко вызывает ответную реакцию клетки, еще не приводя к каким-либо нарушениям ее структуры.

Клетки, подвергшиеся неблагоприятным воздействиям, находятся в состоянии стресса. В различных случаях это состояние может быть связано или не связано с нарушениями клеточных структур, т.е. клетки могут быть или не быть травмированы. В современной микробиологической литературе термины «стресс» и «стрессор» используются очень широко.

Процессы, протекающие в клетках, находящихся в состоянии стресса, изучены преимущественно на модели кишечных бактерий, прежде всего Е. coli и Salmonella typhimurium.

В зависимости от природы стрессора и характера причиненных повреждений реакция клетки может быть различной. К настоящему времени у бактерий выявлено пять регуляторных систем ответа на стрессовые воздействия: 1) «строгий контроль»; 2) SOS-ответ; 3) адаптивный ответ; 4) синтез белков теплового шока; 5) ответ на окислительный стресс. Во всех случаях происходят глубокие перестройки метаболизма, связанные с замедлением или прекращением размножения и синтезом белков, необходимых для выживания. В некоторых случаях в процессах регуляции принимают участие специальные соединения — клеточные гормоны, названные алармонами (от фр. Л/агте — тревога). Перечисленные системы находятся под контролем соответствующих генов и взаимосвязаны.

Система строгого контроля включается в ответ на исключение из среды необходимых клетке аминокислот, источника углерода, солевой шок, падение температуры (по крайней мере у некоторых термофильных бактерий). В данном случае клетки необязательно должны быть травмированы. Система строгого контроля регулируется продуктом гена rel А посредством синтетазы алармонов. У разных бактерий свойства этого фермента могут несколько различаться. Повышение содержания алармонов в результате активности синтетазы приводит к ингибированию синтеза и PH К, тРНК и некоторых рРНК, в результате снижается синтез фосфатидилэта- ноламина, а соответственно и мембранных липидов, снижается синтез нуклеотидов. Снижение уровня метаболизма способствует выживанию клетки в условиях, не допускающих сбалансированного обмена.

Система SOS-ответа включается при разнообразных нарушениях в структуре ДНК или в системах ее репликации. Эта система работает, например, после УФ-облучения, воздействия различными химическими мутагенами. Белок Rec А, активированный сигналом-индуктором SOS-системы, приобретает свойства протеазы и инактивирует репрессорный белок Lex А. В результате разрушения белка Lex А снимается репрессия по крайней мере с 17 генов. Белок Rec А также участвует в рекомбинации и в процессах репарации ДНК.

При SOS-ответе функционирует также пострепликативная система репарации, при которой повышена частота мутаций. Ген umu С, также репрессируемый Lex А, определяет индуцированный мутагенез. Можно предположить, что стимуляция мутагенеза в процессе SOS-ответа имеет приспособительное значение — могут появиться мутанты, более приспособленные к условиям, индуцировавшим SOS-ответ.

Наличие SOS-системы обнаружено у различных представителей семейства Enterobacteriaceae — Streptococcus faecalis, Bacillus subtulis. У последней при SOS-ответе, кроме всего прочего, развивается компетентное состояние клеток, т.е. они приобретают способность воспринимать экзогенную ДНК в процессе генетической трансформации.

Система адаптивного ответа — это индуцибельная антимута- генная система репарации. Облучение и мутагены в низких дозах вызывают снижение частоты мутаций при последующих воздействиях. Например, облучение в дозе 12,5—50 рад может проявить защитный эффект в отношении последующего массированного облучения в дозах порядка 2—103 рад. По мере инкубации в присутствии мутагена частота мутаций падает. Индукция системы происходит при концентрациях мутагенов в 10—100 раз меньших, чем необходимые для проявления их мутагенного действия.

Синтез белков теплового шока (БТШ) возникает при сублетальном температурном шоке. При этом наблюдается быстрое изменение скорости синтеза большинства из 1000 белков, выявляемых в клетках бактерий. Синтез некоторых белков прекращается, тогда как синтез БТШ усиливается более чем в 20 раз. У Е. coli выявлено 14 основных белков теплового шока. Ген теплового шока htp R необходим бактериям для роста при повышенной температуре, например, для роста Е. coli при 42°С, но этот ген не нужен для роста при умеренной температуре. Независимо от продукта гена htp R тепловой шок приводит к угнетению синтеза белка. Синтез БТШ может быть вызван также воздействием этанола, УФ-облу- чения, вирусной инфекции.

Ответ на окислительный стресс. Клетки экспоненциально растущей культуры S. typhimurium, обработанные в течение 1 ч 60 мМ перекисью водорода, приобретают устойчивость к 10 мМ перекиси; для необработанных клеток такая концентрация перекиси летальна. Как и ответы на другие стрессорные воздействия, система ответа на окислительный стресс находится под контролем специального гена — в данном случае оху R. Клетки, приобретшие устойчивость к перекиси, становятся устойчивыми и к тепловому шоку, однако тепловой шок не стимулирует устойчивости к перекисям. Среди белков, синтез которых стимулируется в условиях окислительного стресса, имеются и ферменты, участвующие в процессах репарации ДНК, поскольку окислители вызывают ее специфические повреждения.

После воздействия на бактерии экологических стрессов часть клеток становится подверженной метаболическому шоку, вызывающему неспособность образовывать колонии на элективных средах. Избежавшие стресса клетки остаются нечувствительными.

Условия репарации повреждений. Поврежденные клетки, например S. aureus, восстанавливаются в питательных средах при температуре около 15°С, но не ниже 10°С. Процесс восстановления не мгновенен, а происходит поэтапно. Сохранение клеток от повреждений повышенной температурой и замораживания поддерживается сложными питательными средами и составом или некоторыми определенными их компонентами. Молоко обеспечивает большую сохранность, чем физиологический раствор или смесь аминокислот.

Показано, что травмированные высокой температурой споры С. perfringens приобретают повышенную чувствительность к антибиотикам.

На питательных средах, содержащих пируват, получены большие количества клеток, поврежденных разнообразными агентами.

Поврежденные радиацией споры Clostridium botulinum не способны расти при низкой температуре. Радиационное повреждение восстанавливается на специальных средах — телурит-полимикси- новом желточном агаре.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >