پاسخ‌های باکتریایی به استرس محیطی

باکتری‌ها با تغییرات مکرر در دما، اسیدیته، اسمولاریته، تأمین مواد مغذی و شرایط اکسیداتیو مواجه هستند و با ایجاد پاسخ‌های هماهنگ به استرس که بیان ژن و فیزیولوژی را بازبرنامه‌ریزی می‌کنند، زنده می‌مانند. این پاسخ‌ها از سیستم‌های خاص برای یک عامل استرس‌زا، مانند استرس اسمزی یا گرمایی، تا یک پاسخ کلی استرس گسترده که سلول را در برابر بسیاری از شرایط نامطلوب به طور همزمان محافظت می‌کند، متغیر است.

Definition

پاسخ استرس باکتریایی یک تغییر تنظیم‌شده در بیان ژن و فیزیولوژی است که باکتری از طریق آن یک وضعیت نامطلوب محیطی را حس کرده و برای بقا با آن سازگار می‌شود، از سیستم‌های خاص عامل استرس‌زا تا برنامه‌های حفاظتی گسترده و چندعاملی.

Scope

این موضوع به پاسخ‌های اصلی باکتریایی به استرس محیطی می‌پردازد: پاسخ کلی استرس (فاز سکون)، تنظیم اسمزی، پاسخ‌های استرس گرمایی و اسیدی، پاسخ استرس اکسیداتیو، پاسخ شدید محدودیت مواد مغذی، و پدیده سلول‌های پایدار مقاوم به استرس. این یک موضوع مرجع در فیزیولوژی میکروبی است و هیچ راهنمایی بالینی ارائه نمی‌دهد.

Core questions

• باکتری‌ها چگونه تغییرات محیط خود را حس کرده و به آن پاسخ می‌دهند؟
• پاسخ کلی استرس چیست و در برابر چه چیزی محافظت می‌کند؟
• باکتری‌ها چگونه با استرس اسمزی، اکسیداتیو و کمبود مواد مغذی مقابله می‌کنند؟
• چرا برخی از سلول‌های باکتریایی تحت استرس به سلول‌های پایدار خفته تبدیل می‌شوند؟

Key concepts

• پاسخ کلی استرس و فاکتور سیگما RpoS
• تنظیم اسمزی و املاح سازگار
• پاسخ‌های شوک حرارتی و استرس اسیدی
• پاسخ استرس اکسیداتیو
• پاسخ شدید و (p)ppGpp
• سلول‌های پایدار و حالت خفته

Mechanisms

باکتری‌ها استرس را از طریق حسگرهایی تشخیص می‌دهند که فعالیت تنظیم‌کننده‌های کنترل‌کننده ژن‌های محافظتی را تغییر می‌دهند. در بسیاری از باکتری‌ها، یک پاسخ کلی استرس، که توسط فاکتور سیگما جایگزین RpoS کنترل می‌شود، یک برنامه حفاظتی گسترده را هنگام ورود سلول‌ها به فاز سکون یا مواجهه با شرایط نامطلوب فعال می‌کند (Battesti et al., 2011). پاسخ‌های خاص شامل تجمع املاح سازگار برای مقابله با استرس اسمزی (Csonka, 1991)، القای چاپرون‌ها در طول شوک حرارتی، و سم‌زدایی گونه‌های فعال اکسیژن در طول استرس اکسیداتیو است. محدودیت مواد مغذی پاسخ شدید را از طریق (p)ppGpp تحریک می‌کند که رشد را کند کرده و منابع را تغییر مسیر می‌دهد (Potrykus & Cashel, 2008). بخش کوچکی از سلول‌ها می‌توانند وارد حالت پایدار خفته و مقاوم به استرس شوند که در شرایط کشنده برای سلول‌های در حال رشد زنده می‌مانند (Lewis, 2010).

Clinical relevance

پاسخ‌های استرس به باکتری‌ها کمک می‌کنند تا در شرایط خصمانه، از جمله شرایطی که در طول عفونت با آن مواجه می‌شوند، زنده بمانند و سلول‌های پایدار خفته با دشواری ریشه‌کن کردن برخی عفونت‌های مزمن و عودکننده مرتبط هستند. پاسخ‌های استرس اسیدی و اکسیداتیو به چگونگی مقاومت باکتری‌ها در برابر دفاع میزبان مربوط می‌شوند. این موضوع این مکانیسم‌های بقا را برای درک توضیح می‌دهد و توصیه‌های تشخیصی یا درمانی ارائه نمی‌دهد.

History

تحقیقات از دهه 1980 به بعد نشان داد که باکتری‌ها دارای سیستم‌های تنظیمی اختصاصی برای مقابله با استرس‌های خاص مانند گرما، اسید و اسمولاریته بالا هستند (Csonka, 1991)، و یک پاسخ کلی استرس گسترده را که توسط فاکتور سیگما RpoS هماهنگ می‌شود، شناسایی کرد (Battesti et al., 2011). مفهوم سلول‌های پایدار خفته، که اولین بار در اواسط قرن بیستم مورد توجه قرار گرفت، به عنوان یک پدیده متمایز بقا در برابر استرس در میکروبیولوژی مدرن احیا شد (Lewis, 2010)، و فیزیولوژی استرس را به پایداری عفونت مرتبط ساخت.

Key figures

• Susan Gottesman
• Laszlo Csonka
• Kim Lewis

Seminal works

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

Frequently asked questions

پاسخ کلی استرس باکتریایی چیست؟

این یک برنامه حفاظتی گسترده است که در بسیاری از باکتری‌ها توسط فاکتور سیگما جایگزین RpoS کنترل می‌شود و ژن‌های متعددی را برای دفاع از سلول در برابر طیف وسیعی از شرایط نامطلوب، معمولاً زمانی که سلول‌ها رشد خود را متوقف می‌کنند یا با استرس مواجه می‌شوند، فعال می‌کند.

سلول‌های پایدار (Persister cells) چه هستند؟

سلول‌های پایدار یک زیرجمعیت کوچک و خفته از باکتری‌ها هستند که استرس‌ها، از جمله شرایطی که سلول‌های فعال در حال رشد را از بین می‌برند، را تحمل می‌کنند، بدون اینکه از نظر ژنتیکی مقاوم باشند؛ آنها با دشواری پاکسازی برخی عفونت‌های مزمن مرتبط هستند.