Журнал «Здоровье ребенка» Том 14, №6, 2019
Вернуться к номеру
Медикаментозное влияние на диспергирование биопленки. Производные представителей семейства диффундирующего сигнального фактора
Авторы: Абатуров А.Е.(1), Крючко Т.А.(2)
(1) — ГУ «Днепропетровская медицинская академия МЗ Украины», г. Днепр, Украина
(2) — ВГУЗУ «Украинская медицинская стоматологическая академия», г. Полтава, Украина
Рубрики: Педиатрия/Неонатология
Разделы: Справочник специалиста
Версия для печати
Науковий огляд присвячений ролі представників родина дифундуючого сигнального чинника (DSF), які становлять собою цис-2-ненасичені жирні кислоти, в процесі диспергування біоплівки патогенних бактерій. Для написання статті здійснювався пошук інформації з використанням баз даних Scopus, Web of Science, MedLine, PubMed, Google Scholar, EMBASE, Global Health, The Cochrane Library, CyberLeninka. Охарактеризовані родина дифундуючого сигнального чинника, механізми рецепції його молекулярних представників, шляхи трансдукції і біологічні ефекти, викликані їх дією. Двокомпонентна система сенсорної кінази RpfC/регулятора RpfG, що здійснює передачу DSF-асоційованих сигналів, ідентифікована в різних бактеріальних патогенів, включаючи Xanthomonas, Enterobacter, Thiobacillus, Xylella, Serratia, Leptospirillum, Stenotrophomonas, Burkholderia, Achromobacter, Yersinia, Methylobacillus, Pantoea і Cronobacter. Внутрішньоклітинний сенсорний протеїн RpfR представляє шлях рецепції DSF та ідентифікований у бактерій Burkholderia. Мембраноасоційована гістидинкіназа PA1396 здійснює рекогніцію DSF або BDSF бактеріями Pseudomonas aeruginosa. Представлено, що рівень вірулентності різних бактеріальних патогенів може бути змодельований структурними аналогами дифундуючого сигнального фактора. Показано, що лікарські засоби, що розроблені на основі дифундуючих сигнальних чинників і впливають на механізми трансдукції викликаного ними внутрішньобактеріального сигналу, дозволять вирішити терапевтичне завдання подолання резистентності рецидивуючих і хронічних інфекційно-запальних захворювань респіраторного тракту. Більш виражене зниження життєздатності сформованих антибіотикорезистентними бактеріями Staphylococcus aureus біоплівок спостерігається при використанні цис-2-деценової кислоти в поєднанні з антибактеріальними засобами.
Научный обзор посвящен роли представителей семейства диффундирующего сигнального фактора (DSF), которые представляют собой цис-2-ненасыщенные жирные кислоты, в процессе диспергирования биопленки патогенных бактерий. Для написания статьи осуществлялся поиск информации с использованием баз данных Scopus, Web of Science, MedLine, PubMed, Google Scholar, EMBASE, Global Health, The Cochrane Library, CyberLeninka. Охарактеризованы семейство диффундирующего сигнального фактора, механизмы рецепции его молекулярных представителей, пути трансдукции и биологические эффекты, вызываемые их действием. Двухкомпонентная система сенсорной киназы RpfC/регулятора RpfG, осуществляющая передачу DSF-ассоциированных сигналов, идентифицирована у различных бактериальных патогенов, включая Xanthomonas, Enterobacter, Thiobacillus, Xylella, Serratia, Leptospirillum, Stenotrophomonas, Burkholderia, Achromobacter, Yersinia, Methylobacillus, Pantoea и Cronobacter. Внутриклеточный сенсорный протеин RpfR представляет путь рецепции DSF и идентифицирован у бактерий Burkholderia. Мембраноассоциированная гистидинкиназа PA1396 осуществляет рекогницию DSF или BDSF бактериями Pseudomonas aeruginosa. Представлено, что уровень вирулентности различных бактериальных патогенов может быть смодулирован структурными аналогами диффундирующего сигнального фактора. Показано, что лекарственные средства, разработанные на основе диффундирующих сигнальных факторов и влияющие на механизмы трансдукции вызванного ими внутрибактериального сигнала, позволят разрешить терапевтическую задачу преодоления резистентности рецидивирующих и хронических инфекционно-воспалительных заболеваний респираторного тракта. Более выраженное снижение жизнеспособности сформированных антибиотикорезистентными бактериями Staphylococcus aureus биопленок наблюдается при использовании цис-2-деценовой кислоты в сочетании с антибактериальными средствами.
The scientific review deals with the role of representatives of the family of the diffusible signal factor (DSF), which are cis-2-decenoic acid, in the process of dispersing biofilms of pathogenic bacteria. For writing the article, information was searched using Scopus, Web of Science, MedLine, PubMed, Google Scholar, EMBASE, Global Health, The Cochrane Library, CyberLeninka. The family of the diffusible signal factor, the mechanisms for the reception of its molecular representatives, the transduction pathways and the biological effects caused by their action are characterized. A two-component system of sensory kinase RpfC/regulator RpfG, which transmits DSF-associated signals, has been identified in various bacterial pathogens, including Xanthomonas, Enterobacter, Thiobacillus, Xylella, Serratia, Leptospirillum, Stenotrophomonas, Burkholderia, Achromobacter, Yersinia, Methylobacillus, Pantoea, and Cronobacter. The intracellular sensory protein RpfR represents the DSF receptor pathway and has been identified in Burkholderia bacteria. The membrane-associated histidine kinase PA1396 carries out the reconnaissance of DSF or BDSF by the bacteria Pseudomonas aeruginosa. It is shown that the virulence level of various bacterial pathogens can be modulated by structural analogues of a diffusible signal factor. It is shown that the medicines developed on the basis of diffusible signal factors and influencing the transduction mechanisms of the intra-bacterial signal caused by them will allow solving the therapeutic task of overcoming the resistance of recurrent and chronic infectious-inflammatory diseases of the respiratory tract. A more pronounced decrease in viability formed by antibiotic-resistant bacteria Staphylococcus aureus biofilms is observed when cis-2-decenoic acid is used in combination with antibacterial agents.
диспергування біоплівки; респіраторний тракт; родина дифундуючого сигнального чинника; рецидивуючі та хронічні інфекційно-запальні захворювання; огляд
диспергирование биопленки; респираторный тракт; семейство диффундирующего сигнального фактора; рецидивирующие и хронические инфекционно-воспалительные заболевания; обзор
dispersion of biofilm; respiratory tract; family of the diffusing signaling factor; recurrent and chronic infectious and inflammatory diseases; review
Введение
Респираторные инфекционно-воспалительные заболевания, развитие которых ассоциировано с формированием биопленок, как правило, характеризуются сменяющими друг друга периодами обострения и ремиссии. Индукция диспергирования биопленки обусловлена влиянием многочисленных экзо- и эндогенных факторов, в том числе нутриентов, бактериальных аутоиндукторов, жирных кислот, кислород- и азотсодержащих метаболитов, пептидных сигналов, РНК, стресс-сигналов и др. [11]. Бактериальные биопленки в процессе цикла своей жизни подвергаются диспергированию, что обусловливает высвобождение бактерий и повторную колонизацию в новом месте слизистой оболочки респираторного тракта [14]. Таким образом, диспергирование биопленки лежит в основе обострения рецидивирующих и хронических бактериально-ассоциированных заболеваний. Мультифакторная зависимость индукции диспергирования патогенных биопленок предоставляет широкие возможности медикаментозного управления данным процессом.
Семейство диффундирующего сигнального фактора
Сигнальные жирные кислоты кворум-сенсинга (quorum sensing — QS) образуют группу структурно подобных индукторных молекул, которые идентифицированы у грамположительных и грамотрицательных бактерий, а также у дрожжей Candida albicans. Данные сигнальные молекулы принимают участие в регуляции широкого спектра бактериальных функций. Идентифицировано несколько бактериальных ненасыщенных жирных кислот, функционирующих в качестве межбактериальных мессенджеров, в том числе и таких, которые индуцируют деструкцию биопленки. Совокупность жирнокислотных мессенджеров представляет собой семейство диффундирующего сигнального фактора (diffusible signal factor — DSF) (рис. 1) [17, 21, 27].
/88-1.jpg)
Первый представитель семейства DSF — цис-11-метил-2-додеценовая кислота — был идентифицирован при изучении регуляции синтеза факторов вирулентности бактерий Xanthomonas campestris pv. campestris, поражающих растения [23]. Было установлено, что мутации в области кластера генов Rpf (regulation of pathogenicity factors) приводят к нарушению координирования синтеза ряда внеклеточных ферментов (включая эндоглюканазу и протеазу), полисахаридного ксантана, а также к подавлению вирулентности бактерий.
Показано, что цис-2-деценовая кислота (C10H18O2) (CDA) [20] и цис-11-метил-2-додеценовая кислота (cis-11-methyl-2-dodecenoic acid) [8] индуцируют диспергирование биопленки у ряда грамотрицательных и грамположительных бактерий и дрожжей [18]. Наличие CDA в сформированных биопленках усиливает бактерицидное влияние антибиотиков на бактерии MRSA in vivo [13].
Синтез DSF полностью зависит от функционирования фермента суперсемейства кротоназы RpfF (Rpf — кластер регуляторов факторов патогенности) или ее гомологов. Несмотря на то, что у гена RpfF есть свой собственный промотор, он также транскрибируется как часть оперона гена RpfB, который кодирует ацил-КоА-лигазу длинноцепочечных жирных кислот [2].
Механизмы, с помощью которых жирные кислоты индуцируют диспергирование, мало изучены [1]. По всей вероятности, мессенджерные жирные кислоты реализуют свое действие через взаимодействие со своими рецепторами. Идентифицировано несколько бактериальных рецепторов, участвующих в распознавании DSF.
Так, рекогниция некоторых DSF и передача DSF-ассоциированных сигналов осуществляются двухкомпонентной системой, содержащей сенсорную киназу RpfC и регулятор RpfG, которые закодированы соседними оперонами. Молекула сенсорной киназы RpfC состоит из трансмембранного сенсорного домена, гистидинкиназы, CheY-подобного рисивера (CheY-like receiver — REC) и гистидинфосфотрансферного домена HPt; молекула регулятора RpfG — из ресиверного домена, соединенного с доменом HD-GYP, который представляет собой фосфодиэстеразу (phosphodiesterase — PDE), превращающую ц-ди-ГМФ в ГМФ [22, 26]. Взаимодействие DSF с сенсором RpfC проводит к аутофосфорилированию его эндодомена, рекрутированию регулятора RpfG, что сопровождается деградацией циклического ГМФ и, как следствие, изменением спектра экспрессирующихся генов (рис. 2) [9].
/89-1.jpg)
Система RpfC/RpfG идентифицирована у различных бактериальных патогенов, включая Xanthomonas, Enterobacter, Thiobacillus, Xylella, Serratia, Leptospirillum, Stenotrophomonas, Burkholderia, Achromobacter, Yersinia, Methylobacillus, Pantoea и Cronobacter [6].
Второй путь рецепции DSF был впервые идентифицирован у бактерий Burkholderia и представлен внутриклеточным сенсорным протеином RpfR, молекула которого состоит из доменов PAS (Per/Arnt/Sim), GGDEF и EAL. Домены GGDEF и EAL участвуют в синтезе и деградации ц-ди-ГМФ соответственно. Протеин RpfR in vitro демонстрирует фосфодиэстеразную активность по отношению к ц-ди-ГМФ (рис. 3) [6].
/90-1.jpg)
Рекогниция DSF или BDSF бактериями Pseudomonas aeruginosa осуществляется мембраноассоциированной гистидинкиназой PA1396, которая подобна сенсору RpfC, но ее молекула лишена домена HPt. Трансдукция PA1396-ассоциированного сигнала связана с аутофосфорилированием протеина PA1396 при его взаимодействии с DSF и фосфорилированием регулятора PA1397, который связывается с ДНК и изменяет активность экспрессии целевых генов [24].
По данным Azadeh Rahmani-Badi и соавт. [20], CDA регулирует активность экспрессии 666 генов, кодирующих протеины, которые участвуют в различных клеточных процессах: подвижности и хемотаксисе, адгезии, синтезе и секреции экзополисахаридов (EPS), липополисахаридов (LPS), факторов вирулентности, поглощении железа, цикле трикарбоновых кислот, аэробном и анаэробном дыхании.
Цис-11-метил-2-додеценовая кислота модулирует активность экспрессии почти 200 ключевых генов, которые принимают участие в жизнедеятельности бактерий, участвующих в более чем 12 функциональных группах [4, 12].
Таким образом, активация сигнальных путей, ассоциированных с DSF, вызывает не только диспергирование биопленки, но и усиление вирулентности разнообразных патогенных бактерий, включая Burkholderia cenocepacia, Pseudomonas aeruginosa [9].
Производные представителей семейства диффундирующего сигнального фактора
Известно, что свободные жирные кислоты модулируют активность формирования и диспергирования биопленки (табл. 1) [5].
/91-1.jpg)
Остаются невыясненными механизмы антибактериального действия свободных жирных кислот. Полагают, что они оказывают влияние на жизнеопределяющие процессы, контролирующие целостность бактериальной стенки [15, 16].
Продемонстрировано, что некоторые жирные кислоты подавляют инициирование формирования биопленки, например олеиновая кислота (цис-9-октадеценовая кислота) ингибирует образование биопленки Staphylococcus aureus [10], Streptococcus mutans [3], в то время как другие индуцируют ее диспергирование. В частности, CDA, вырабатываемая бактериями Pseudomonas aeruginosa, инициирует деструкцию биопленок, сформированных различными патогенными грамположительными и грамотрицательными бактериями, а также грибами [19]. N.H. Cláudia Marques и соавт. [18, 19], отражая потенциальные возможности использования CDA в терапевтических целях, указывают, что CDA не только индуцирует дезагрегацию и ингибирует развитие биопленки, но и подавляет вирулентность бактерий и возвращает персистирующие бактерии в состояние, восприимчивое к действию антибиотиков. Показано, что возможно применение производных CDA для деградации биопленок и повышения чувствительности патогенов к действию антибиотиков [25].
Продемонстрировано, что применение CDA в сочетании с антибактериальными средствами способствует более выраженному снижению жизнеспособности сформированных антибиотикорезистентными бактериями Staphylococcus aureus биопленок, чем использование только антибиотиков [13]. Сочетание CDA с антибактериальными препаратами более чем в 1,5 раза повышает бактерицидную активность тобрамицина и ципрофлоксацина против бактерий Pseudomonas aeruginosa PAO1, расположенных в биопленке [18].
Yinyue Deng и соавт. [7] продемонстрировали, что цис-11-метил-2-додеценовая кислота и ее структурные аналоги индуцируют восприимчивость бактерий к действию антибиотиков, вероятно, за счет снижения устойчивости биопленки. Комбинация цис-11-метил-2-додеценовой кислоты с гентамицином увеличивает восприимчивость бактерий Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa, Bacillus thuringiensis, Neisseria, Mycobacterium smegmatis к действию антибиотика. Авторы считают, что соединения семейства DSF обладают значительным потенциалом их использования в качестве новых адъювантов к традиционным антибиотикам при лечении инфекционных заболеваний, вызванных бактериальными патогенами.
Заключение
Таким образом, представители семейства диффундирующего сигнального фактора, представляющие собой цис-2-ненасыщенные жирные кислоты с различной длиной молекулярной цепи, принимают активное участие в диспергировании биопленок. Сигнальные бактериальные системы, ассоциированные с действием DSF, участвуют в регуляции жизненного цикла биопленки, продукции факторов вирулентности, резистентности бактерий к действию антибиотиков. Создание лекарственных средств, влияющих на синтез и/или деградацию DSF, регулирующих сигнальный каскад, ассоциированный с влиянием DSF, мимикрирующих и деактивирующих DSF, несет в себе терапевтический потенциал преодоления резистентности к рутинной терапии рецидивирующих и хронических инфекционно-воспалительных заболеваний респираторного тракта. Структурные аналоги DSF также могут модулировать уровень вирулентности различных бактериальных патогенов. Способность цис-2-ненасыщенных жирных кислот повышать эффективность антибиотикотерапии требует изучения показаний их использования при лечении заболеваний органов дыхания, вызванных антибиотикорезистентными бактериальными формами.
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии какого-либо конфликта интересов при подготовке данной статьи.
1. Baudin M., Cinquin В., Sclavi В. et al. Understanding the fundamental mechanisms of biofilms development and dispersal: BIAM (Biofilm Intensity and Architecture Measurement), a new tool for studying biofilms as a function of their architecture and fluorescence intensity. J. Microbiol. Methods. 2017 Sep. 140. Р. 47-57. doi: 10.1016/j.mimet.2017.06.021.
2. Bi H., Yu Y., Dong H. et al. Xanthomonas campestris RpfB is a fatty Acyl-CoA ligase required to counteract the thioesterase activity of the RpfF diffusible signal factor (DSF) synthase. Mol. Microbiol. 2014 Jul. 93(2). Р. 262-75. doi: 10.1111/mmi.12657.
3. Cai J.N., Kim M.A., Jung J.E. et al. Effects of combined oleic acid and fluoride at sub-MIC levels on EPS formation and viability of Streptococcus mutans UA159 biofilms. Biofouling. 2015. 31(7). Р. 555-63. doi: 10.1080/08927014.2015.1076799.
4. Cai Z., Yuan Z.H., Zhang H. et al. Fatty acid DSF binds and allosterically activates histidine kinase RpfC of phytopathogenic bacterium Xanthomonas campestris pv. campestris to regulate quorum-sensing and virulence. PLoS Pathog. 2017, Apr 3. 13(4). e1006304. doi: 10.1371/journal.ppat.1006304.
5. Davies D.G., Marques C.N. A fatty acid messenger is responsible for inducing dispersion in microbial biofilms. J. Bacteriol. 2009 Mar. 191(5). Р. 1393-403. doi: 10.1128/JB.01214-08.
6. Deng Y. Schmid N., Wang C. et al. Cis-2-dodecenoic acid receptor RpfR links quorum-sensing signal perception with regulation of virulence through cyclic dimeric guanosine monophosphate turnover. Proc. Natl Acad. Sci. USA. 2012, Sep 18. 109(38). Р. 15479-84. doi: 10.1073/pnas.1205037109.
7. Deng Y., Lim A., Lee J. et al. Diffusible signal factor (DSF) quorum sensing signal and structurally related molecules enhance the antimicrobial efficacy of antibiotics against some bacterial pathogens. BMC Microbiol. 2014, Feb 27. 14. Р. 51. doi: 10.1186/1471-2180-14-51.
8. Deng Y., Liu X., Wu J. et al. The host plant metabolite glucose is the precursor of diffusible signal factor (DSF) family signals in Xanthomonas campestris. Appl Environ Microbiol. 2015 Apr. 81(8). Р. 2861-8. doi: 10.1128/AEM.03813-14.
9. Dow J.M. Diffusible signal factor-dependent quorum sensing in pathogenic bacteria and its exploitation for disease control. J. Appl Microbiol. 2017 Jan. 122(1). Р. 2-11. doi: 10.1111/jam.13307.
10. Grumezescu A.M., Saviuc C., Chifiriuc M.C. et al. Inhibitory activity of Fe(3) O(4)/oleic acid/usnic acid-core/shell/extra-shell nanofluid on S. aureus biofilm development/ A.M. Grumezescu. IEEE Trans Nanobioscience. 2011 Dec. 10(4). Р. 269-74. doi: 10.1109/TNB.2011.2178263.
11. Guilhen C., Forestier C., Balestrino D. Biofilm dispersal: multiple elaborate strategies for dissemination of bacteria with unique properties. Mol. Microbiol. 2017 Jul. 105(2). Р. 188-210. doi: 10.1111/mmi.13698.
12. He Y.W., Xu M., Lin K. et al. Genome scale analysis of diffusible signal factor regulon in Xanthomonas campestris pv. campestris: identification of novel cell-cell communication-dependent genes and functions. Mol. Microbiol. 2006 Jan. 59(2). Р. 610-22. doi: 10.1111/j.1365-2958.2005.04961.x.
13. Jennings J.A., Courtney H.S., Haggard W.O. Cis-2-decenoic acid inhibits S. aureus growth and biofilm in vitro: a pilot study. Clin. Orthop. Relat. Res. 2012 Oct. 470(10). Р. 2663-70. doi: 10.1007/s11999-012-2388-2.
14. Kaplan J.B. Biofilm dispersal: mechanisms, clinical implications, and potential therapeutic uses. J. Dent. Res. 2010 Mar. 89(3). Р. 205-18. doi: 10.1177/0022034509359403.
15. Kenny J.G., Ward D., Josefsson E. et al. The Staphylococcus aureus response to unsaturated long chain free fatty acids: survival mechanisms and virulence implications. PLoS One. 2009. 4(2). e4344. doi: 10.1371/journal.pone.0004344.
16. Le P.N.T., Desbois A.P. Antibacterial Effect of Eicosapentaenoic Acid against Bacillus cereus and Staphylococcus aureus: Killing Kinetics, Selection for Resistance, and Potential Cellular Target. Mar. Drugs. 2017, Nov 1. 15(11). pii: E334. doi: 10.3390/md15110334.
17. Liu L., Li T., Cheng X.J. et al. Structural and functional studies on Pseudomonas aeruginosa DspI: implications for its role in DSF biosynthesis. Sci. Rep. 2018, Mar 2. 8(1). 3928. doi: 10.1038/s41598-018-22300-1.
18. Marques C.N., Davies D.G., Sauer K. et al. Control of Biofilms with the Fatty Acid Signaling Molecule cis-2-Decenoic Acid/ C.N. Marques. Pharmaceuticals (Basel). 2015, Nov 25. 8(4). Р. 816-35. doi: 10.3390/ph8040816.
19. Marques C.N., Davies D.G., Sauer K. Control of Biofilms with the Fatty Acid Signaling Molecule cis-2-Decenoic Acid. Pharmaceuticals (Basel). 2015, Nov 25. 8(4). Р. 816-35. doi: 10.3390/ph8040816.
20. Rahmani-Badi A., Sepehr S., Fallahi H., Heidari-Keshe S. Dissection of the cis-2-decenoic acid signaling network in Pseudomonas aeruginosa using microarray technique. Front. Microbiol. 2015, Apr 28. 6. Р. 383. doi: 10.3389/fmicb.2015.00383.
21. Ryan R.P., An S.Q., Allan J.H. et al The DSF Family of Cell-Cell Signals: An Expanding Class of Bacterial Virulence Regulators. PLoS Pathog. 2015, Jul 16. 11(7). e1004986. doi: 10.1371/journal.ppat.1004986.
22. Ryan R.P., Dow J.M. Intermolecular interactions between HD-GYP and GGDEF domain proteins mediate virulence-related signal transduction in Xanthomonas campestris. Virulence. 2010 Sep-Oct. 1(5). Р. 404-8. doi: 10.4161/viru.1.5.12704.
23. Tang J.L., Liu Y.N., Barber C.E. et al. Genetic and molecular analysis of a cluster of Rpf genes involved in positive regulation of synthesis of extracellular enzymes and polysaccharide in Xanthomonas campestris pathovar campestris. Mol. Gen. Genet. 1991 May. 226(3). Р. 409-17. PMID: 1645442.
24. Twomey K.B., O’Connell O.J., McCarthy Y. et al. Bacterial cis-2-unsaturated fatty acids found in the cystic fibrosis airway modulate virulence and persistence of Pseudomonas aeruginosa. ISME J. 2012 May. 6(5). Р. 939-50. doi: 10.1038/ismej.2011.167.
25. Yuyama K.T., Abraham W.R. cis-2-Alkenoic Acids as Promising Drugs for the Control of Biofilm Infections. Med. Chem. 2016. 13(1). Р. 3-12. doi: 10.2174/1573406412666160506151032.
26. Zhou L., Wang X.Y., Sun S. et al. Identification and characterization of naturally occurring DSF-family quorum sensing signal turnover system in the phytopathogen Xanthomonas. Environ Microbiol. 2015 Nov. 17(11). Р. 4646-58. doi: 10.1111/1462-2920.12999.
27. Zhou L., Zhang L.H., Cámara M., He Y.W. The DSF Family of Quorum Sensing Signals: Diversity, Biosynthesis, and Turnover. Trends Microbiol. 2017 Apr. 25(4). Р. 293-303. doi: 10.1016/j.tim.2016.11.013.