Bakterielle Reaktionen auf Umweltstress

Bakterien sind häufigen Änderungen von Temperatur, Azidität, Osmolarität, Nährstoffversorgung und oxidativen Bedingungen ausgesetzt. Sie überleben, indem sie koordinierte Stressreaktionen auslösen, die die Genexpression und Physiologie umprogrammieren. Diese Reaktionen reichen von spezifischen Systemen für einen einzelnen Stressor, wie osmotischen oder Hitzestress, bis hin zu einer breiten allgemeinen Stressreaktion, die die Zelle gleichzeitig vor vielen widrigen Bedingungen schützt.

Definition

Eine bakterielle Stressreaktion ist eine regulierte Änderung der Genexpression und Physiologie, durch die ein Bakterium eine widrige Umweltbedingung wahrnimmt und sich anpasst, um diese zu überleben. Dies reicht von stressorspezifischen Systemen bis hin zu breiten, multi-stressor-schützenden Programmen.

Scope

Dieses Thema behandelt die wichtigsten bakteriellen Reaktionen auf Umweltstress: die allgemeine (stationäre Phase) Stressreaktion, Osmoregulation, Hitze- und Säurestressreaktionen, die oxidative Stressreaktion, die Nährstoffmangel-Stringenzreaktion und das Phänomen der stresstoleranten Persisterzellen. Es ist ein Referenzthema in der mikrobiellen Physiologie und bietet keine klinische Anleitung.

Core questions

• Wie nehmen Bakterien Veränderungen in ihrer Umgebung wahr und reagieren darauf?
• Was ist die allgemeine Stressreaktion und wovor schützt sie?
• Wie gehen Bakterien mit osmotischem, oxidativem und Nährstoffstress um?
• Warum werden einige gestresste Bakterienzellen zu ruhenden Persistern?

Key concepts

• Allgemeine Stressreaktion und der Sigma-Faktor RpoS
• Osmoregulation und kompatible Solute
• Hitzeschock- und Säurestressreaktionen
• Oxidative Stressreaktion
• Stringenzreaktion und (p)ppGpp
• Persisterzellen und Dormanz

Mechanisms

Bakterien detektieren Stress durch Sensoren, die die Aktivität von Regulatoren verändern, welche schützende Gene steuern. Bei vielen Bakterien schaltet eine allgemeine Stressreaktion, die durch den alternativen Sigma-Faktor RpoS gesteuert wird, ein breites Schutzprogramm ein, wenn Zellen in die stationäre Phase eintreten oder widrigen Bedingungen begegnen (Battesti et al., 2011). Spezifische Reaktionen umfassen die Akkumulation kompatibler Solute zur Abwehr von osmotischem Stress (Csonka, 1991), die Induktion von Chaperonen während des Hitzeschocks und die Entgiftung reaktiver Sauerstoffspezies während oxidativen Stresses. Nährstoffmangel löst die Stringenzreaktion über (p)ppGpp aus, was das Wachstum verlangsamt und Ressourcen umleitet (Potrykus & Cashel, 2008). Ein kleiner Teil der Zellen kann in einen ruhenden, stresstoleranten Persisterzustand eintreten, der Bedingungen überlebt, die für wachsende Zellen tödlich sind (Lewis, 2010).

Clinical relevance

Stressreaktionen helfen Bakterien, feindliche Bedingungen zu überleben, einschließlich derer, die während einer Infektion auftreten, und ruhende Persisterzellen werden mit der Schwierigkeit der Eliminierung einiger chronischer und wiederkehrender Infektionen in Verbindung gebracht. Säure- und oxidative Stressreaktionen sind relevant dafür, wie Bakterien Wirtsabwehrmechanismen widerstehen. Dieses Thema beschreibt diese Überlebensmechanismen zum Verständnis und gibt keine Diagnose- oder Behandlungsempfehlungen.

History

Forschung ab den 1980er Jahren zeigte, dass Bakterien dedizierte Regulationssysteme zur Bewältigung spezifischer Stressfaktoren wie Hitze, Säure und hoher Osmolarität besitzen (Csonka, 1991), und identifizierte eine breite allgemeine Stressreaktion, die durch den Sigma-Faktor RpoS koordiniert wird (Battesti et al., 2011). Das Konzept der ruhenden Persisterzellen, das erstmals Mitte des 20. Jahrhunderts erwähnt wurde, wurde in der modernen Mikrobiologie als eigenständiges Stress-Überlebensphänomen wiederbelebt (Lewis, 2010), wodurch die Stressphysiologie mit der Persistenz von Infektionen verknüpft wurde.

Key figures

• Susan Gottesman
• Laszlo Csonka
• Kim Lewis

Seminal works

• battesti-2011
• csonka-1991
• lewis-2010

Frequently asked questions

Was ist die bakterielle allgemeine Stressreaktion?

Es ist ein breites Schutzprogramm, das bei vielen Bakterien durch den alternativen Sigma-Faktor RpoS gesteuert wird und zahlreiche Gene einschaltet, um die Zelle gegen eine Reihe widriger Bedingungen zu verteidigen, typischerweise wenn Zellen aufhören zu wachsen oder Stress begegnen.

Was sind Persisterzellen?

Persisterzellen sind eine kleine, ruhende Subpopulation von Bakterien, die Stress tolerieren, einschließlich Bedingungen, die aktiv wachsende Zellen abtöten, ohne genetisch resistent zu sein; sie werden mit der Schwierigkeit der Eliminierung einiger chronischer Infektionen in Verbindung gebracht.