A bakteriális kemotaxis és szabályozása

A prokarióta szervezetek természetes élőhelyükön gyakran találkoznak olyan fizikai és/vagy kémiai gradiensekkel, melyekre aktív mozgással képesek válaszolni. Ezt az ingerforrások által irányított helyváltoztató mozgást taxisnak nevezzük. A taxis lehet pozitív vagy negatív, attól függően, hogy az ingerforrás irányába mutat vagy azzal ellentétes irányú. A prokarióták körében megfigyelt taxisoknak az ingerforrások szerint több típusát különíthetjük el, pl. a kémiai anyagokra adott választ kemotaxisnak, a fény által kiváltott mozgást fototaxisnak (3.5/4. animáció), az oxigén hatására bekövetkező mozgást aerotaxisnak hívjuk.

3.5/4. animáció. Baktériumsejtek pozitív aerotaxisa egy algasejt körül (Felvétel: Lovas Béla)

Az eddigi kutatási eredmények alapján az E. colikemotaxisáról, vagyis kémiai anyagok hatására végbemenő irányított helyváltoztató mozgásáról rendelkezünk a legtöbb ismerettel. A baktériumsejt csillói kétféle (az óramutató járásával megegyező vagy azzal ellentétes irányú) forgómozgásra képesek. Normális körülmények között, vagyis az idő mintegy 70%-ában a csillók az óramutató járásával ellentétes irányú (balra mutató, B) forgómozgást végeznek, ami a baktériumsejt egyenes vonalú úszó mozgását eredményezi. A csillóknak a rövidebb ideig tartó és az óramutató járásával megegyező irányú (jobbra mutató, J) forgómozgása során a baktériumsejt többé-kevésbé egy helyben pörög, bukfencezik. A csillók kétféle forgómozgása közti váltás során általában nincs érzékelhető mozgásszünet.

Egyes fajokban (pl.Rhodobacter sphaeroides) a laterális csilló csak rövid szünetet követően kezd az óramutató járásával megegyező (jobbra mutató, J) irányban forogni. A mozgásszünetben a csilló a sejt felszínének közelében egy feltekeredett alakot vesz fel, majd a forgatónyomaték hatására a feltekeredett filamentum egy félig-stabil, jobbmenetes alakot ölt. Ennek a jobbmenetes hélixnek az óramutató járásával megegyező irányú forgása idézi elő a baktériumsejtre ható propulziós erőt. A peritrich csillózatúE. coliesetében B rotáció során az összes sejtfelszíni csilló mozgása összerendeződik, és a csillók egyetlen kötegként tolják előre a baktériumsejtet. A forgási irány váltását követő J rotációkor minden egyes csilló külön-külön forog, amitől a baktériumsejt bukfencezni kezd. A baktériumsejt mozgási mintázata egy elméletileg ingerforrásoktól mentes közegben tehát a B és J rotációk váltakozásából eredő random úszások és bukfencezések egymást követő sorozata. Ennek során a baktériumsejt

bár mozog, mégsem halad igazán sehova, mivel a bukfencezést követően létrejövő egyenes vonalú úszás véletlenszerű irányultságú (3.5/4. ábra).

3.5/4A-B. ábra. Egy peritrich csillózatú baktériumsejt mozgási mintázata ingerforrástól mentes környezetben (A) és ingerforrás jelenlétében (B)

Vonzó vagy gátló kémiai anyag (attraktáns vagy repellens) jelenlétében a mozgási mintázat megváltozik. A baktériumsejt által érzékelt kémiai anyagok jelenlétében az egyébként random mozgási mintázat úgy módosul, hogy a baktériumsejt az attraktáns felé irányuló (pozitív kemotaxis) vagy a repellenstől távolodó (negatív kemotaxis) mozgást végez. Ha a baktériumsejt a környezetében növekvő koncentrációban érzékeli az attraktáns jelenlétét, akkor a csilló B rotációja időben meghosszabbodik, és a csilló forgási irányának B-ről J-re váltása ritkábban következik be, vagyis megnő a vonzó anyag irányába mutató mozgás úthossza (3.5/4A-B. ábra). Gátló anyag jelenlétében a repellens koncentráció csökkenésének szignálja vezet a csilló forgási irányváltásának ritkulásához.

Ha a kemotaxist szabályozó rendszer a környezeti feltételek kedvezőtlenné válását érzékeli, akkor a csilló forgási irányt vált a motorhoz érkező jel hatására.

Egyetlen baktériumsejt azonban túl kicsi ahhoz, hogy ezzel a mozgási mechanizmussal meghatározza, hogy pontosan milyen irányban kell haladnia. A mindössze néhány mikrométer hosszúságú baktériumsejt nem képes arra, hogy a sejt hosszának megfelelő távolságban érzékelje az attraktáns vagy a repellens koncentrációjának változását. Ehelyett azt tudja szabályozni, hogy folytassa-e a mozgását a már megkezdett úton, vagy irányt váltson.

Más szavakkal, a baktériumokra jellemző mozgásszabályozás a kémiai anyagok időbeni változásának, nem pedig a térbeli koncentráció különbségeknek az érzékelésén alapul.

Az időbeni változás érzékelésének mechanizmusát nyilvánvalóvá tehetjük úgy, hogyha egy semleges és homogén közegben véletlenszerűen mozgó baktériumpopulációt hirtelen áthelyezünk egy olyan környezetbe, amelyik egyenletes eloszlásban tartalmaz attraktánst vagy repellenst. Egy ilyen kísérlet során a baktériumsejtekben kemotaktikus válasz váltható ki, annak ellenére, hogy egyik vizsgált közegben sincs térbeli kémiai koncentráció gradiens, vagyis a sejtek csak az időben eltérő kémiai környezet hatásának vannak kitéve. Az időbeni érzékelésen alapuló kemotaxis alapja az, hogy azok a sejtek, melyeket hirtelen attraktáns vagy repellens jelenlétének tesszük ki, egy időre felfüggesztik a csilló forgási irányának váltását, és egyenes vonalban úsznak tovább, annak ellenére, hogy az új közegben az attraktáns vagy a repellens koncentrációja nem változik. Ez azért van így, mert a baktériumsejt folyékony közegben végzett úszómozgása során folyamatosan összehasonlítja az éppen aktuális környezetét a korábban észlelttel. Ha ez a viszonyítás számára kedvező eredményt hoz, a sejt tovább folytatja egyenes vonalú mozgását, ha nem, akkor irányt vált. Egy bizonyos idő elteltével azonban az új közegbe áthelyezett baktériumok fokozatosan alkalmazkodnak környezetükhöz, és mozgási mintázatuk hasonlóvá válik a sem attraktánst, sem pedig repellenst nem tartalmazó közegben mutatotthoz. Ez az adaptáció annak ellenére bekövetkezik, hogy az új közegben jelen van az attraktáns vagy a repellens. A kísérletből megállapítható tehát, hogy a baktériumsejtek nem a kémiai anyagok abszolút koncentrációira, hanem a koncentráció időbeni változására reagálnak. Ez a mozgási mechanizmus tehát egyfajta memória funkció meglétét feltételezi, aminek révén a jelenbeli és a múltbéli környezet egymással összevethető, vagyis meghatározható, hogy a sejt számára egy adott idő alatt a környezeti feltételek kedvezőbbé vagy kedvezőtlenebbé váltak. A memória funkció és a baktériumsejtek adaptációja között szoros kapcsolat mutatható ki. Ha az attraktáns jelenlétéhez alkalmazkodott baktériumpopuláció sejtjeit visszahelyezzük

az attraktánst nem tartalmazó környezetbe, akkor a baktériumsejtek úgy mozognak, mintha nem a megfelelő irányba úsznának, vagyis mintha repellens hatásának lennének kitéve, ezért azonnal elkezdenek bukfencezni. Ha ugyanezt a kísérletet repellens jelenlétéhez alkalmazkodott baktériumsejtekkel végezzük el, akkor az előbbi ellenkezőjét tapasztaljuk. A baktériumok mozgási mintázatának kialakítása szempontjából tehát az attraktáns koncentrációjának növekedése és a repellens koncentrációjának csökkenése egymással egyenértékű.

A prokarióta sejtekben számos a környezetből érkező szignál (pl. a hőmérséklet, a pH vagy az oxigénszint változása, a tápanyagok hozzáférhetősége) érzékelésén alapuló anyagcsere funkció működik az ún. kétkomponensű szabályozással. A bakteriális kemotaxis szabályozása során a kétkomponensű mechanizmus egyik része (az ún.

gerjesztési mechanizmus) a csillómotor forgási irányát határozza meg, míg a másik rész (az ún. adaptációs mechanizmus) az érzékelést és a gerjesztési mechanizmust a korábban kialakítotthoz viszonyítva módosítja. A kétkomponensű szabályozó rendszerek tagjai egyrészt a sejtmembránban található érzékelő és kináz aktivitással rendelkező fehérjék (szenzor kinázok), másrészt a citoplazmatikus válasz-szabályozó fehérjék (regulátorok).

A bakteriális kemotaxis szabályozásának megértését a különböző típusú mutánsok vizsgálata segítette. Az aktív mozgásra képes baktériumok között a leggyakoribb mutánsok azok, melyek nem képesek mozogni. A csillóval mozgó sejtek esetében a mozgásképtelenség általában két okra vezethető vissza: az ún. Fla mutánsok elvesztették a csilló szintézis képességét, míg a Mot mutánsok rendelkeznek ugyan csillóval, de az nem képes forogni. Azokat a mutáns törzseket, amelyek bár mozgásra képesek, de nem mozognak félszilárd táptalajban, további két mutáns típusba sorolhatjuk. Az ún. Che mutánsok általában nem képesek kemotaxisra, míg a receptor mutánsok egy bizonyos attraktáns hatására nem mozognak, de egy másik hatására igen.

AzE. colikemotaxis mutánsok genetikai elemzése két fő komplementációs csoport elkülönítését eredményezte.

A CheA lókusz két génből (cheAéscheW), míg a CheB lókusz négy génből (cheR, cheB, cheYéscheZ) áll. A cheA, cheW, cheY vagy cheR gének mutációjakor a baktériumsejtek egyenletesen úszó, de a mozgási irány változtatására képtelen fenotípusúak. Ezzel szemben acheBéscheZgének mutánsai folytonosan változó, bukdácsoló úszómozgást végeznek. Az irányváltozás képessége aCheBés aCheZmutánsok esetében attraktánsok, aCheR esetében repellensek hozzáadására szupresszálható. AcheW,acheAés acheYgénekben bekövetkezett mutációk esetében azonban nem figyelhető meg mozgásváltozás sem attraktánsok, sem pedig repellensek hatására. Mindebből arra lehet következtetni, hogy a CheW, CheA, és CheY fehérjék a gerjesztési mechanizmusban, míg a CheR és CheB fehérjék az adaptációs mechanizmusban vesznek részt. A CheZ fehérje, az előbbi öt fehérjével ellentétben nem feltétlenül szükséges sem a gerjesztési, sem pedig az adaptációs mechanizmusban. Az a tény, hogy a gerjesztési mechanizmusban mutálódott sejtek változatlan egyenes úszómozgást végeznek, arra utal, hogy a gerjesztési mechanizmust egy környezeti szignál váltja ki, ami mozgási irányváltozást idéz elő, és hogy környezeti szignál hiányában a sejt ritkán vagy egyáltalán nem változtat irányt.

Az E. coliban öt különböző periplazmatikus kemoreceptor, ún. MCP (metilcsoport-felvevő kemotaxis fehérje) található (3.5/5. ábra). Az MCP receptorok egy glutamát maradékon keresztül metilálhatók. A metilezési reakciót egy acheRgén által kódolt AdoMet-függő metil-transzferáz enzim katalizálja. Az AdoMet (S-adenozilmetionin) szintézise metioninból az alábbiak szerint történik ATP segítségével:

ATP + metionin + H₂O → AdoMet +PP_i+ P_i

3.5/5. ábra. Az E. coli kemotaxisában résztvevő citoplazmamambránhoz kötött kemoreceptorok (LPS, lipopoliszacharid; KM, külső membrán; LP, lipoprotein; PP, periplazmatikus tér; PG, peptidoglikán; CM,

citoplazmamembrán; CP, citoplazma)

Az MCP receptor metilcsoportjának eltávolítását egy acheBgén által kódolt metil-észteráz enzim katalizálja. Az MCP fehérjék (Tar, Tsr, Trg, Tap és Aer) vagy közvetlenül megkötik a környezetből származó szignál molekulákat (attraktánst vagy repellenst), vagy a szignál molekulák megkötésére képes periplazmatikus kötőfehérjékkel (pl.

MBP, maltóz-kötő fehérje; RBP, ribóz-kötő fehérje; GBP, galaktóz-kötő fehérje; DPP, dipeptid-kötő fehérje) lépnek kölcsönhatásba (3.5/5. ábra). Az egyes MCP fehérjék attraktánsok és repellensek megkötésére egyaránt képesek lehetnek. A baktériumsejtek a Tar fehérjék segítségével az attraktánsok közül például az aszparaginsavat, a glutaminsavat és a maltózt, míg a repellensek közül a kobaltot és a nikkelt tudja érzékelni. A Tsr fehérjék számos aminosav (pl. a glicin, a szerin, az alanin) hatására kialakuló kemotaxis során nélkülözhetetlenek. A Trg az RBP és GBP fehérjék segítségével a glükóz, a ribóz és a galaktóz, míg a Tap féhérjék a DPP fehérjék közreműködésével a dipeptidek érzékelésében játszanak szerepet. Az aerotaxisért felelős Aer fehérje különbözik a többi MCP fehérjétől, mivel annak egy flavin koenzimet (FAD) tartalmazó citoplazmatikus érzékelő része is van, amelynek segítségével a membránban lévő elektrontranszportlánccal kölcsönhatásban a baktériumsejt a környezet redox állapotát képes érzékelni.

A kemotaxis szabályozása során a transzmembrán elhelyezkedésű MCP fehérjék a periplazmatikus térbe került szignál molekulákon vagy kötő fehérjéken kívül a citoplazmatikus CheA és CheW fehérjékkel is közvetlen kapcsolatot alakítanak ki (3.5/6. ábra). A CheA egy szenzor kináz aktivitással rendelkező fehérje. Amikor az MCP fehérjékhez egy szignál molekula kapcsolódik, az MCP konformációja megváltozik, és ez a térszerkezet változás a CheW fehérje segítségével a CheA autofoszforilációs szintjének változását idézi elő. Az autofoszforiláció mértékét az attraktánsok csökkentik, a repellensek növelik. A foszforilált CheA fehérje (CheA-P) foszfát-csoportját a citoplazmában tovább tudja adni a CheY fehérjéknek (CheY-P), melyek a szignálmolekulára adott válasz kialakításában vesznek részt, a csillómotor rotációjának szabályozásával. A CheA-P fehérje a CheB fehérje

foszforilálására is képes (CheB-P). Ez a folyamat lassúbb, mint a CheY foszforilációja. A foszforilált CheB-P az MCP fehérjék demetilálásában játszik szerepet.

3.5/6. ábra. A baktériumok kemotaktikus mozgásának szabályozása

(MCP, metil-csoport felvevő kemotaxis fehérje; KM, külső membrán; PP, periplazmatikus tér; PG, peptidoglikán;

CM, citoplazmamembrán; CP, citoplazma)

A csillómotor forgási irányának szabályozásában a CheY fehérje játszik kulcsfontosságú szerepet (3.5/6. ábra).

Ha a CheY fehérje foszforilálatlan, akkor nem tud hozzákapcsolódni a csilló alapi testéhez, ezért a csillómotor B rotációja nem változik meg, és a baktériumsejt egyenes vonalban úszik. Ha azonban a CheY foszforilálttá válik (CheY-P), akkor hozzá tud kötődni a csilló alapi testéhez, ezáltal a csillómotor J rotációba kezd, és a baktériumsejt bukfencezik. A CheY-P foszforiláltsági szintjének szabályozásában a CheA fehérjén kívül egy másik citoplazmatikus fehérje, a defoszforilációs aktivitással rendelkező CheZ is részt vesz. Ha a CheZ lehasítja a CheY-P foszfátcsoportját, akkor a foszforilálatlanná váló CheY tovább már nem tud hozzákapcsolódni a csilló alapi testéhez, ezért a csillómotor rotációja J-ről B-re vált, és a baktériumsejt ismét egyenes vonalú úszásba kezd. A repellensek általában növelik a CheY foszforiláltsági szintjét, ezért repellensek hatására a baktériumsejt gyakrabban bukfencezik. Az attraktánsok jelenléte a baktériumsejt környezetében azonban a CheY foszforiláltsági szintjének csökkenését idézi elő, aminek következtében hosszabb ideig fennmarad a baktériumsejt egyenes vonalú úszómozgása.

Ha egy baktériumsejt sikeresen válaszol egy kemotaktikus ingerre, az érzékelő rendszerének egy bizonyos idő elteltével akkor is vissza kell kerülni az alapállapotba, hogy újabb inger felfogására is képes legyen. A kemotaxisnak ezt a visszacsatolásos szabályozási folyamatát nevezzük adaptációs mechanizmusnak (3.5/6. ábra). A citoplazmamembránban elhelyezkedő MCP fehérjék, ahogy az a nevükből is következik, metilálhatók. Az MCP fehérjék folyamatos, lassú ütemű metilációjában a citoplazmatikus CheR fehérjék vesznek részt, melyek a donorként szolgálóS-adenozilmetioninról juttatják a metil-csoportot az MCP fehérjékre. A metiláltsági szint változása az attraktánsok vagy a repellensek kötődéséhez hasonlóan konformációs változást idéz elő az MCP fehérjékben.

Amikor az MCP fehérjék teljesen metiláltak, akkor nem képesek tovább attraktánsokat megkötni, de érzékenyebbek a repellensek jelenlétére. Ezzel szemben, ha az MCP fehérjék teljesen metilálatlanok, akkor a környezetükben jelenlévő attraktánsokat tudják érzékelni és a repellensekre érzéketlenek. Az adaptációs mechanizmusban a CheB fehérjék szerepe kulcsfontosságú. A citoplazmatikus és foszforilálható CheB fehérjék metiláz aktivitással rendelkeznek, vagyis képesek lehasítni az MCP fehérjékről a metil-csoportot. A CheB fehérjék a CheA-P fehérjék által foszforilálhatók (CheB-P), és foszforiláltságuk mértéke növeli a CheB fehérjék metiláz aktivitását.

Ha például a baktériumsejt környezetében egy attraktáns nagy koncentrációban van jelen, akkor a sejtben a CheA fehérjék foszforiláltsága csökken, ezért a CheY és a CheB fehérjék sem foszforilálódnak. A baktériumsejt tehát egyenesen úszik tovább. Attraktánsok jelenlétében azonban folytatódik az MCP fehérjék metilációja, mivel a foszforilálatlan CheB fehérjék metiláz aktivitása alacsony. Mivel a teljesen metilált MCP fehérjék már nem képesek az attraktáns megkötésére, ezért még ha az attraktáns változatlanul nagy koncentrációban van is jelen a környezetben, a baktériumsejt egy idő után bukfencezni kezd, mivel az MCP fehérjék konformáció változása miatt megkezdődik a CheA fehérjék és általuk a CheY és a CheB fehérjék foszforilációja is. A CheB fehérjék foszforilációja, azok metiláz aktivitásának fokozódását idézi elő, ami az MCP fehérjék metiláltsági szintjének csökkenéséhez vezet. Ez a receptor funkció visszaállításával lehetővé teszi a baktériumsejt számára, hogy érzékelje a környezetében lévő attraktáns koncentrációjának növekedését vagy csökkenését. A baktériumsejt csak akkor úszik tovább, ha az attraktáns koncentrációjának növekedését érzékeli. Ha az attraktáns koncentrációja változatlan szinten van vagy csökken, akkor a baktériumsejt bukfencezni kezd. Repellens jelenlétében az előbbi folyamatoknak éppen az ellenkezője a jellemző. A teljesen metilált MCP fehérjék alkalmasak a repellens koncentráció növekedésének érzékelésére. Ilyenkor az érzékelt szignál hatására a baktériumsejt bukfencezni kezd. A sejt akkor kezd el úszni egy véletlenszerűen kialakuló irányba, amikor az MCP fehérjék a CheB-P fehérjék hatására lassan elkezdenek demetilálódni. A kemotaktikus adaptációs mechanizmus révén a baktériumsejt tehát képes arra, hogy időről időre nyomon kövesse a környezetében lévő attraktánsok és/vagy repellensek koncentrációjának változását.