Główna zawartość
Kurs: Biologia > Rozdział 14
Lekcja 2: Komunikacja w organizmach jednokomórkowychSygnalizacja komórek w organizmach jednokomórkowych
W jaki sposób organizmy jednokomórkowe wykorzystują sygnały do komunikacji. Typy konjugacji u drożdży, quorum sensing bakterii i biofilmy. Tłumaczenie na język polski: fundacja Edukacja dla Przyszłości, dzięki wsparciu Fundacji HASCO-LEK.
Wprowadzenie
W organizmach wielokomórkowych (takich jak ty) sygnalizacja komórkowa pozwala komórkom koordynować ich działania, zapewniając prawidłowe funkcjonowanie tkanek, narządów i układów narządów. Czy to oznacza, że organizmy jednokomórkowe, takie jak drożdże i bakterie, nie korzystają z międzykomórkowych szlaków sygnałowych?
W rzeczywistości organizmy te nadal muszą ze sobą „rozmawiać”. Komórki mogą nie być częścią tego samego organizmu, ale należą do tej samej populacji i - podobnie jak ludzie w ludzkiej populacji - potrzebują sposobów komunikowania się w sprawach o znaczeniu interpersonalnym lub społecznym. Na przykład bakterie wykorzystują sygnały chemiczne do wykrywania gęstości populacji (ile innych bakterii znajduje się w okolicy) i odpowiednio zmieniają swoje zachowanie, podczas gdy drożdże wytwarzają sygnały chemiczne, które pozwalają im znaleźć partnerów.
Tutaj przyjrzymy się bliżej temu, jak organizmy jednokomórkowe "komunikują" się ze sobą nawzajem za pomocą sygnałów chemicznych.
Quorum sensing, czyli "komunikowanie" się bakterii
Przez wiele lat uważano, że bakterie są głównie samotnikami, podejmując decyzje na poziomie indywidualnym, a nie wspólnotowym. Niedawno stało się jasne, że wiele rodzajów bakterii angażuje się w tryb sygnalizacji komórkowej zwany quorum sensing.
W quorum sensing bakterie monitorują gęstość populacji (liczbę innych bakterii w obszarze) na podstawie sygnałów chemicznych. Kiedy sygnalizacja osiągnie poziom progowy, wszystkie bakterie w populacji zmienią jednocześnie swoje zachowanie lub ekspresję genów.
Quorum sensing, czyli "komunikowanie" się w symbiozie
Quorum sensing odkryto po raz pierwszy w Aliivibrio fischeri, bakterii, która ma symbiotyczny (korzystny dla obu stron) związek z hawajską kałamarnicą
Kiedy bakterie A. fischeri znajdują się w organie świetlnym kałamarnicy - świecą, ale kiedy żyją w oceanie - nie. Przez dziesięciolecia pracy naukowcy odkryli, że bakterie wykorzystują quorum sensing, aby zdecydować, kiedy produkować bioluminescencję. Przeprowadzanie reakcji chemicznych, które emitują światło, byłoby niepotrzebnym wysiłkiem dla metabolizmu dla samotnej bakterii w otwartym oceanie, ponieważ nie dawałoby to korzyści bez żywiciela - kałamarnicy. Jednak gdy wiele bakterii jest ciasno upakowanych w organie świetlnym, świecenie zapewnia korzyść: pozwala bakteriom wypełnić swój symbiotyczny układ, chroniąc gospodarza (źródło pożywienia) przed zjedzeniem przez drapieżniki.
Mechanizm quorum sensing
Quorum sensing opiera się na wytwarzaniu i wykrywaniu autoinduktorów, cząsteczek sygnałowych nieustannie wydzielanych przez bakterie, aby ogłosić swoją obecność swoim sąsiadom (zwykle sąsiadom tego samego gatunku). Autoinduktory pozwalają bakteriom wyczuć gęstość populacji i zmienić swoje zachowanie w sposób zsynchronizowany, gdy gęstość osiągnie określony próg.
W niektórych rodzajach bakterii wydzielane autoinduktory to małe, hydrofobowe cząsteczki, takie jak lakton acylo-homoserynowy (AHL). AHL to autoinduktor wytwarzany przez A. fischeri, bakterie zajmujące organ świetlny kałamarnicy. W innych rodzajach bakterii autoinduktory mogą być peptydami (krótkimi białkami) lub innymi rodzajami małych cząsteczek
Ponieważ AHL jest mały i hydrofobowy, może on swobodnie przemieszczać się przez błony komórek bakteryjnych.
- Gdy na danym obszarze jest niewiele komórek, powstaje mała ilość AHL, która zostanie uwolniona do środowiska, a poziom AHL w komórkach pozostanie niski.
- W przypadku obecności większej liczby bakterii zostanie wytworzona większa ilość AHL (dzięki większej liczbie współtwórców).
- Jeśli poziom AHL będzie wystarczająco wysoki, co wskazuje na krytyczną gęstość bakterii, AHL wiąże się i aktywuje białko receptora wewnątrz komórek.
- Aktywny receptor działa jako czynnik transkrypcyjny, przyłączając się do określonych miejsc na DNA bakterii i zmieniając aktywność pobliskich docelowych genów.
W A. fischeri, czynnik transkrypcyjny włącza geny kodujące enzymy i substraty wymagane dla bioluminescencji, podobnie jak gen kodujący enzym, który zaangażowany jest w produkcję samego AHL (wzmacnianie odpowiedzi w pętli dodatniego sprzężenia zwrotnego)
Ogólnie rzecz biorąc, każdy gatunek bakterii ma własny autoinduktor z dopasowanym receptorem, który jest bardzo specyficzny (nie zostanie aktywowany przez autoinduktor innej bakterii). Jednak niektóre rodzaje autoinduktorów mogą być wytwarzane i wykrywane przez wiele gatunków bakterii. Naukowcy badają, w jaki sposób cząsteczki te umożliwiają komunikację międzygatunkową
Quorum sensing, czyli "komunikowanie" się w biofilmie
Niektóre gatunki bakterii, u których wykryto quorum sensing, tworzą biofilmy, czyli przyklejone do powierzchni społeczności komórek bakteryjnych, które przylegają do siebie i do podłoża. Biofilmy mogą być dość złożone, a komórki bakteryjne organizują się, tworząc uporządkowane struktury, a niektóre biofilmy zawierają wiele gatunków współistniejących bakterii.
Chociaż wiele kwestii pozostaje niezrozumianych na temat biofilmów, staje się coraz bardziej jasne, że odgrywają one kluczową rolę w ludzkim zdrowiu i chorobach. Na przykład S. aureus kolonizujące powierzchnię cewnika, są zorganizowane w biofilm. Quorum sensing może odgrywać ważną rolę w tworzeniu, utrzymywaniu i rozkładaniu biofilmów.
Sygnalizacja u drożdży
Drożdże, które fermentują winogrona w wino, czy powodują wzrost chleba, są jednokomórkowymi eukariotami. Nie są ani zwierzętami ani roślinami, a są właściwie rodzajem grzyba. (Mniam!) Pewne drożdże piekarskie przedstawiono na poniższym obrazie mikroskopowym.
Jednym z najlepiej przebadanych szlaków sygnałowych u drożdży jest szlak czynnika koniugacji. Pąki drożdżowe mogą koniugować w procesie podobnym do rozmnażania płciowego, w którym dwie komórki haploidalne (komórki z jednym zestawem chromosomów, takie jak ludzkie plemniki i komórki jajowe) łączą się, tworząc komórkę diploidalną (komórkę z dwoma zestawami chromosomów, jak komórki ciała ludzkiego). Komórka diploidalna może następnie przejść mejozę, aby utworzyć komórki haploidalne z nowymi kombinacjami materiału genetycznego.
Aby znaleźć inną haploidalną komórkę drożdży, która jest przygotowana do koniugacji, pączkujące drożdże wydzielają cząsteczkę sygnałową zwaną czynnikiem koniugacji. Czynnik koniugacji występuje w dwóch różnych wersjach, podobnie jak jego receptor, i ten system może pomóc drożdżom połączyć się z innymi drożdżami, które nie są bliskimi krewnymi. Wiązanie czynnika koniugacji z kompatybilnym receptorem wyzwala kaskadę sygnalizacyjną, która powoduje, że drożdże wytwarzają odrost, aby móc połączyć się z partnerem. Możesz zobaczyć szczegóły tego szlaku w filmie na temat sygnalizacja komórkowa w reprodukcji drożdży
Jeśli przyjrzysz się uważnie szlakowi sygnałowemu czynnika koniugacji, zobaczysz, że zawiera on rodzaje molekuł znane już ludziom. Na przykład receptor czynnika koniugacji jest receptorem sprzężonym z białkiem G i działa poprzez szlak sygnałowy kinazy MAP, taki jak ten występujący u ludzi w szlaku sygnałowym czynnika wzrostu
Chcesz dołączyć do dyskusji?
Na razie brak głosów w dyskusji