Метил-2,3,4,5-тетрагидрокситетрагидрофуран и его производные (АИ-2, THMF)

АИ-2 широко представлены у различных бактерий и контролируют множество процессов, включая продукцию патогенетических факторов и токсинов, образование поверхностных пленок и скоординированное движение больших скоплений бактериальных клеток, а также определяют внутри- и межвидовые взаимоотношения между бактериями, что лежит в основе «социального» поведения отдельных бактериальных клеток и их популяций.

Пусковым механизмом биосинтеза АИ-2 является воздействие на бактериальную клетку глюкозы и других пищевых факторов, которые активируют метильный цикл. На первом этапе этого цикла с помощью метилтрансфераз от S-аденозилметионина, основного донора метильных радикалов и непосредственного предшественника АИ-2, отщепляется метильный радикал. Полученный в результате реакции деметилирования S-аденозилгомоцистеин гидролизуется Pfs-нуклеотидазой до S-рибозилгомоцистеина, который является субстратом для фермента LuxS с гидролитической активностью. Разрушение тиоэфирной связи LuxS приводит к образованию 4,5-дигидрокси-2,3-пентандиона, циклизация которого ведет к двум основным формам АИ-2.

Первая форма представлена (2S,4S)-2-метил-2,3,4,5-тетрагидрокситетрагидрофураном (S-THMF) или, более часто, его боратным диэфиром (S-THMF-боратом) (рис.), в то время как вторая – (2R,4S)-2-метил-2,3,4,5-тетрагидрокситетрагидрофураном (R-THMF) или его фосфатным эфиром (R-THMF-фосфатом). Фактором, определяющим баланс THMF в бактериальной клетке, является содержание глюкозы в окружающей среде, которая не только запускает биосинтетические пути, ведущие к продукции THMF, но и регулирует их транспорт из внеклеточного пространства.

В настоящее время известны две сигнальные системы, через которые АИ-2 регулируют бактериальную клетку.

Первая подробно описана для V. harveyi и V. cholerae. Она включает расположенный белок LuxP, который специфично связывается с S-THMF-боратом, что приводит к запуску каскада фосфорилирования, который включает гистидинкиназу LuxQ, фосфат-переносящую киназу LuxU и регулятор ответа LuxO.

У бактерий S. enterica и P. luminescens функционирует другая система, которая включает ABC-транспортер (Lsr), переносящий АИ-2 внутрь клетки, где его молекула подвергается модификации с помощью двух ферментов, кодируемых генами lsrFG и lsrK, после чего модифицированный АИ-2 активирует эффекторные белки, регуляторы экспрессии бактериальных генов.

В случае S. enterica функцию АИ-2 выполняет R-THMF в неэтерифицированной форме, а добавление этерифицированного аналога (5 мМ бората) приводит к ослаблению ответа на АИ-2. В присутствии 1 мМ бората снижается и биолюминесценция бактерии P. luminescens – процесс, который регулируется АИ-2.

Эти данные могут указывать на то, что АИ-2 в этерифицированной форме осуществляют свое действие через рецепторные белки типа LuxP, в то время как неэтерифицированные формы – через ABC-транспортеры.

Недавно было показано, что у некоторых бактерий сигнальные системы, регулируемые АИ-1 и АИ-2, а также родственными им АИ, и различающиеся начальными, проксимальными, этапами передачи сигнала, в дальнейшем конвергируют в общий сигнальный каскад. Так у V. cholerae и V. harveyi активаторами фосфат-переносящего белка LuxU являются, по крайней мере, три различных АИ – АИ-1 (HAI-1), CAI-1 и АИ-2 (S-THMF-борат). Как отмечалось выше, HAI-1 связывается с рецепторным белком LuxN, CAI-1 – с рецепторным белком CqsS, S-THMF-борат – c комплексом рецепторного белка LuxP и гистидинкиназы LuxQ.

Наряду с LuxU, общими блоками дистальных этапов передачи сигналов, генерируемых перечисленными выше АИ, являются регулятор ответа LuxO и зависимая от него экспрессия генов малых РНК, которые, в свою очередь определяют экспрессию регуляторов транскрипции HapR/LuxR и могут сами выступать в качестве АИ