Loading AI tools
Из Википедии, свободной энциклопедии
Систе́ма токси́н-антитокси́н (англ. toxin-antitoxin system) — набор двух и более тесно связанных генов, которые в совокупности кодируют и белок-«яд», и соответствующее ему «противоядие». Когда такая система локализована на плазмиде (автономном генетическом элементе), то в результате деления исходной клетки, содержащей плазмиду, дочерняя клетка выживет только в том случае, если унаследует плазмиду. Если дочерняя клетка лишена плазмиды, то нестабильный антитоксин, унаследованный с цитоплазмой матери, разрушается, а стабильный токсичный белок убивает клетку; это явление получило название «постсегрегационное убийство» (англ. post-segregational killing, PSK)[2][3]. Системы токсин-антитоксин широко распространены среди прокариот, и зачастую один прокариотический организм содержит множество копий таких систем[4][5].
Системы токсин-антитоксин обычно классифицируют по тому, как антитоксин нейтрализует токсин. В случае систем токсин-антитоксин I типа трансляция мРНК, кодирующей токсин, подавляется при связывании с ней малой некодирующей РНК, служащей антитоксином. В случае систем II типа белок-токсин ингибируется посттрансляционно путём связывания с другим белком — антитоксином. Известен один пример систем III типа, в которых белок-токсин непосредственно связывается с РНК-антитоксином[6]. Гены, кодирующие токсин-антитоксин, часто передаются от организма к организму путём горизонтального переноса генов[7]. Нередко они ассоциированы с патогенными бактериями и нередко локализуются на плазмидах, несущих гены вирулентности и устойчивости к антибиотикам[1].
Существуют и хромосомные системы токсин-антитоксин, некоторые из них участвуют в таких клеточных процессах, как ответ на стресс, остановка клеточного цикла и программируемая клеточная смерть[1][8]. С точки зрения эволюции системы токсин-антитоксин могут рассматриваться как эгоистичная ДНК[англ.], то есть целью этих систем является увеличение собственной численности вне зависимости от того, принесут они организму-хозяину пользу или вред. Были предложены адаптивные теории, объясняющие эволюцию систем токсин-антитоксин; например, возможно, что хромосомные системы токсин-антитоксин появились для того, чтобы предотвращать наследование крупных делеций в хозяйском геноме[9]. Системы токсин-антитоксин нашли применение в биотехнологии, например, в методе поддержания плазмид в клеточных линиях. Они могут служить мишенями антибиотиков и использоваться как векторы для положительного отбора[10].
Плазмиды, содержащие системы токсин-антитоксин, рассматриваются как пример эгоистичной ДНК в рамках геноцентрического взгляда на эволюцию[англ.] (англ. Gene-centered view of evolution). Считается, что системы токсин-антитоксин могут только поддерживать собственную ДНК, даже в ущерб организму-хозяину[1]. Согласно другим теориям, эти системы повышают приспособленность несущих их плазмид по сравнению с обычными плазмидами[11]. В этом случае системы токсин-антитоксин помогают хозяйской ДНК, избавляя потомство клетки от других плазмид (система токсин-антитоксин, локализованная на плазмиде, приводит к гибели клеток, не унаследовавших при делении этой плазмиды, поэтому, если клетка погибает, то и содержащиеся в ней плазмиды элиминируются). Это представление подкрепляется данными компьютерного моделирования[12]. Впрочем, оно не объясняет присутствие систем токсин-антитоксин на хромосомах.
Существует ряд адаптивных теорий, объясняющих эволюционное преимущество хромосомных систем токсин-антитоксин перед естественным отбором. Простейшее объяснение существования таких систем на хромосомах заключается в том, что они предотвращают появление опасных крупных делеций в геноме клетки[9]. Токсин-антитоксиновый локус MazEF Escherichia coli и других бактерий индуцирует программируемую гибель клетки в ответ на длительное голодание, особенно на отсутствие аминокислот[15]. Содержимое погибшей клетки абсорбируется соседними клетками, то есть, возможно, предотвращает смерть близких родственников погибшей клетки и тем самым увеличивает совокупную приспособленность[англ.] погибшей клетки. Такой пример альтруизма сближает бактериальные колонии с многоклеточными организмами[12].
Согласно другой теории, хромосомные системы токсин-антитоксин являются бактериостатическими[англ.], но не бактерицидными[16]. Например, RelE глобально ингибирует трансляцию в условиях нехватки питательных веществ, и его экспрессия снижает риск голодания, уменьшая потребности клетки в питательных веществах[17]. Гомолог токсина mazF, mazF-mx, необходим для образования плодовых тел у Myxococcus xanthus[18]. Эти бактерии образуют густые скопления, и при недостатке питательных веществ группа из 50000 клеток собирается в плодовое тело[19]. Токсин maxF-mx является компонентом пути ответа на стресс, обусловленный недостатком питательных веществ, и даёт возможность некоторым клеткам плодового тела образовать миксоспоры. Было высказано предположение, что M. xanthus «поработил» систему токсин-антитоксин и взял антитоксин под собственный молекулярный контроль для регуляции своего жизненного цикла[18].
Было высказано предположение, что хромосомные копии систем токсин-антитоксин могут обеспечивать противопривыкание[англ.], то есть помогают исключить плазмиду из потомства клетки, не подвергая её воздействию токсина. Например, в геноме Erwinia chrysanthemi[англ.] закодирован антитоксин, который противодействует токсину, кодируемому F-плазмидой[20].
Было предложено девять возможных функций систем токсин-антитоксин[21]:
Впрочем, эксперимент, в котором из клеток штамма E. coli были удалены пять систем токсин-антитоксин, не дал никаких доказательств в пользу существования преимуществ, которые системы токсин-антитоксин дают клетке-хозяину. Эти результаты заставляют усомниться в гипотезах контроля роста и программируемой клеточной гибели[27].
Действие систем токсин-антитоксин I типа обусловлено комплементарным спариванием оснований РНК-антитоксина с мРНК, кодирующей белок-токсин. Трансляция этой мРНК подавляется или из-за разрушения РНКазой III, или из-за уменьшения доступности последовательности Шайна — Дальгарно или сайта связывания рибосомы[англ.]. В этих случаях токсин и антитоксин нередко кодируются противоположными цепями ДНК. Перекрывающийся участок этих двух генов (обычно его длина составляет 19—23 нуклеотида) обусловливает их комплементарное спаривание[28].
Токсины в системах I типа представлены небольшими гидрофобными белками, токсичность которых обусловлена их способностью разрушать мембраны клетки[1]. Лишь для немногих токсинов систем I типа были определены внутриклеточные мишени, возможно, из-за сложностей, связанных с изучением белков, токсичных для содержащих их клеток[8].
Иногда системы I типа включают и третий компонент. В случае хорошо изученной системы hok/sok, кроме токсина hok и антитоксина sok, имеется третий ген, названный mok. Он практически целиком перекрывается с геном, кодирующим токсин, и трансляция токсина зависит от трансляции этого третьего компонента[3]. По этой причине представление о связывании токсина с антитоксином в некоторых случаях является упрощением, и антитоксин на самом деле связывается с третьей РНК, которая уже потом действует на трансляцию токсина[28].
Токсин | Антитоксин | Комментарий | Источник |
---|---|---|---|
Hok | Sok | Первая известная и наиболее хорошо изученная система I типа, которая стабилизирует плазмиды у ряда грамотрицательных бактерий | [28] |
fst[англ.] | RNAII | Первая система I типа, идентифицированная у грамположительной бактерии, обнаружена у энтерококка | [29] |
TisB[англ.] | IstR | Отвечает на повреждения ДНК | [30] |
LdrD[англ.] | RdlD | Хромосомная система, обнаружена у энтеробактерий | [31] |
FlmA[англ.] | FlmB | Гомолог hok/sok, который также стабилизирует F-плазмиду | [32] |
Ibs | Sib[англ.] | Изначально был назван QUAD-РНК. Открыт в межгенных участках[англ.] E. coli | [33] |
TxpA/BrnT[англ.] | RatA | Обеспечивает наследованиеskin-элемента при споруляции уBacillus subtilis | [34] |
SymE[англ.] | SymR | Хромосомная система, индуцируемая при SOS-ответе | [5] |
XCV2162 | ptaRNA1[англ.] | Идентифицирована у Xanthomonas campestris[англ.] и встречается у филогенетически разнородных организмов. | [35] |
Системы типа II изучены лучше систем типа I[28]. В этих системах неустойчивый белок-антитоксин прочно связывается со стабильным токсином и подавляет его активность[8]. Крупнейшее семейство систем этого типа — vapBC[англ.][36], и методами биоинформатики было установлено, что от 37 до 42 % систем II типа относятся к этому семейству[13][14].
Системы типа II, как правило, организованы в опероны, причём ген, кодирующий антитоксин, обычно располагается выше гена, кодирующего токсин. Антитоксин подавляет токсин, отрицательно регулируя его экспрессию. Токсин и антитоксин, как правило, имеют длину около 100 аминокислотных остатков[28]. Вредоносность токсина может быть обусловлена несколькими свойствами. Белок CcdB, например, нарушает работу ДНК-топоизомераз II[англ.] и ДНК-гиразы[37], а белок MazF является опасной эндорибонуклеазой, которая разрезает клеточные мРНК по специфическим мотивам[38]. Наиболее часто токсины являются эндонуклеазами, которые также известны как интерферазы[39][40].
Иногда в системах токсин-антитоксин II типа появляется третий белок[41]. В случае вышеупомянутой системы MazEF имеется дополнительный регуляторный белок — MazG. Он взаимодействует с ГТФазой Era E. coli и характеризуется как нуклеозидтрифосфатпирофосфатгидролаза[42], которая гидролизует нуклеозидтрифосфаты до монофосфатов. Дальнейшие исследования показали, что MazG транскрибируется в ту же полицистронную РНК, что и MazE и MazF, и MazG связывается с токсином MazF, дополнительно ингибируя его активность[43].
Токсин | Антитоксин | Комментарий | Источник |
---|---|---|---|
CcdB[англ.] | CcdA | Располагается в F-плазмиде E. coli | [37] |
ParE[англ.] | ParD | Имеется во множестве копий у Caulobacter crescentus[англ.] | [44] |
MazF | MazE | Встречается на хромосоме E. coli и других бактерий | [25] |
yafO | yafN | Система индуцируется SOS-ответом на повреждение ДНК у E. coli | [41] |
HicA | HicB | Обнаружена у архей и бактерий | [45] |
Kid | Kis | Стабилизирует плазмиду R1[англ.]; родственна системе CcdB/A | [16] |
Системы токсин-антитоксин III типа полагаются на непосредственное взаимодействие белка-токсина и РНК-антитоксина. Токсичные эффекты белка нейтрализуются непосредственно РНК[6]. Единственным известным на данный момент примером является система ToxIN, найденная у патогенной для растений бактерии Pectobacterium carotovorum[англ.]. Белок-токсин ToxN имеет длину около 170 аминокислотных остатков и токсичен для E. coli. Его ядовитость подавляется РНК ToxI, которая содержит 5,5 тандемных повторов мотива из 36 нуклеотидов (AGGTGATTTGCTACCTTTAAGTGCAGCTAGAAATTC)[46][47]. Кристаллографический анализ ToxIN показал, что для ингибирования ToxN необходимо образование тримерного комплекса ToxIN, в котором три мономера связаны с тремя мономерами ToxN. Комплекс удерживается за счёт множественных РНК-белковых взаимодействий[48].
Биотехнологическое применение систем токсин-антитоксин начали несколько биотехнологических компаний[10][16]. Системы токсин-антитоксин используются в основном для поддержания плазмид в больших культурах клеток бактерий. В эксперименте, проверяющем эффективность локуса hok/sok, было показано, что вставленная плазмида, экспрессирующая бета-галактозидазу, сохраняла в 8—22 раза большую стабильность при клеточных делениях, чем в контрольной культуре, лишённой системы токсин-антитоксин[49][50]. В широко использующихся микробиологических процессах, например, брожении, те дочерние клетки, которые не унаследовали плазмиду, имеют большую приспособленность по сравнению с клетками, содержащими плазмиды, и в конце концов лишённые плазмид клетки могут полностью вытеснить ценные промышленные микроорганизмы. Таким образом, системы токсин-антитоксин, помогающие поддерживать важные плазмиды, способствуют поддержанию эффективности промышленных процессов[10].
Кроме того, системы токсин-антитоксин в будущем могут стать мишенями антибиотиков. Индукция молекул, губительных для патогенов, может помочь преодолеть всё возрастающую проблему множественной лекарственной устойчивости[51].
Отбор плазмид, содержащих вставку[англ.], является широко распространённой проблемой при клонировании ДНК. Системы токсин-антитоксин могут использоваться для положительного отбора лишь тех клеток, которые содержат плазмиду с интересующей исследователя вставкой, отбрасывая те клетки, которые не содержат вставленного гена. Например, в плазмидные векторы вставляют ген CcdB, кодирующий токсин[52]. Интересующий ген затем вступает в рекомбинацию с геном CcdB, инактивируя транскрипцию токсичного белка. Поэтому трансформированные клетки, содержащие плазмиду, но не вставку, погибают из-за токсичных свойств белка CcdB, и выживают только те клетки, которые имеют плазмиду со вставкой[10].
Возможно использование также и токсина CcdB, и антитоксина CcdA. CcdB находится в рекомбинатном геноме бактерии, а инактивированная версия CcdA вставляется в линейный плазмидный вектор. К интересующему гену пришивается короткая последовательность, которая активирует ген антитоксина при его вставке в это место. С помощью этого метода можно получить направленно-специфичную вставку гена[52].
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.