Три молекулы регулируют «засыпание» и «пробуждение» бактерий

В каждой популяции бактерий присутствуют «дремлющие», персистирующие клетки: они жизнеспособны, но не делятся, активность их метаболизма сильно снижена. Такие бактерии-персистеры играют значительную роль в течении хронических инфекций. Они успешно переживают воздействие антибиотиков, а после окончания лечения переходят в активное состояние, заново колонизируя организм хозяина и вызывая обострения. Ранее считалось, что переход бактерий в покоящееся состояние и выход из него являются случайными событиями, однако бельгийским ученым удалось раскрыть молекулярный механизм «засыпания» и «пробуждения» бактериальных клеток.

В качестве модельного организма ученые использовали Escherichia coli. Один из факторов перехода этих бактерий в персистирующее состояние — токсин HokB, пептид, который интегрируется в клеточную мембрану и формирует поры, вызывая деполяризацию мембраны и утечку АТФ.

Для начала исследователи уточнили условия образования пор. Выяснилось, что стабильные поры формирует димеризованный HokB: две молекулы пептида соединяются через остатки цистеина с помощью дисульфидных мостиков. Димеризации способствует периплазматическая оксидоредуктаза DsbA. Исследование 73 одиночных клеток-персистеров в микрофлюидной камере показало, что продолжительность покоя определяется концентрацией HokB, то есть переход бактерий в активное состояние происходит не случайно, а зависит от времени. Можно сделать вывод, что перед первым делением в покоящейся клетке происходят некоторые важные события.

Авторы предположили, что для реактивации персистеров необходима дестабилизация пор и деградация HokB. Из библиотеки открытых рамок считывания E. coli ASKA library они отобрали и оверэкспрессировали в модельном штамме пять периплазматических протеаз. Оверэкспрессия одной из них, DegQ, привела к снижению концентрации HokB на 82%. Результатом делеции degQ стало троекратное сокращение количества персистеров в популяции.

Для успешной деградации пептида необходима его предварительная мономеризация. Ученые установили, что оксидоредуктаза DsbC восстанавливает дисульфидные связи, дестабилизируя таким образом поры и обеспечивая доступность HokB для протеазы DegQ.

Далее авторы работы проверили, приводит ли разборка поры, образованной HokB, к реполяризации мембраны и восстановлению внутриклеточного энергетического пула. В штамме E. coli с делецией в одном из генов, отвечающих за формирование NADH-дегидрогеназного комплекса, механизм реактивации персистеров был поврежден. Эта делеция, так же, как ΔdsbC, на фоне экспрессии hokB приводила к задержке «пробуждения» относительно контрольного штамма. При этом отсутствие протеазы DegQ не приводило к изменениям продолжительности лаг-фазы. Следовательно, ключевые факторы перехода бактерий из покоящегося состояния в активное — дестабилизация HokB и реполяризация мембраны.

Таким образом, впервые получено детальное механистическое представление о переходе бактерий из активного состояния в покоящееся и обратно. Это стать отправной точкой для разработки подходов к реактивации персистирующих клеток, что сделает патогенную популяцию доступной для антибактериальной терапии.