Реакции бактерий на стресс окружающей среды

Бактерии часто сталкиваются с изменениями температуры, кислотности, осмолярности, доступности питательных веществ и окислительных условий, и они выживают, запуская скоординированные стрессовые реакции, которые перепрограммируют экспрессию генов и физиологию. Эти реакции варьируются от специфических систем для одного стрессора, таких как осмотический или тепловой стресс, до широкой общей стрессовой реакции, которая защищает клетку от многих неблагоприятных условий одновременно.

Definition

Бактериальная стрессовая реакция — это регулируемое изменение экспрессии генов и физиологии, посредством которого бактерия воспринимает неблагоприятные условия окружающей среды и приспосабливается к ним для выживания, варьируясь от систем, специфичных для стрессора, до широких, многофакторных защитных программ.

Scope

Эта тема охватывает основные реакции бактерий на стресс окружающей среды: общую (стационарную фазу) стрессовую реакцию, осморегуляцию, реакции на тепловой и кислотный стресс, реакцию на окислительный стресс, строгую реакцию на ограничение питательных веществ и феномен стрессоустойчивых персистирующих клеток. Это справочная тема по микробной физиологии, не содержащая клинических рекомендаций.

Core questions

• Как бактерии воспринимают изменения в окружающей среде и реагируют на них?
• Что такое общая стрессовая реакция и от чего она защищает?
• Как бактерии справляются с осмотическим, окислительным и питательным стрессом?
• Почему некоторые стрессированные бактериальные клетки становятся спящими персистентами?

Key concepts

• Общая стрессовая реакция и сигма-фактор RpoS
• Осморегуляция и совместимые растворенные вещества
• Реакции на тепловой шок и кислотный стресс
• Реакция на окислительный стресс
• Строгая реакция и (p)ppGpp
• Персистирующие клетки и состояние покоя

Mechanisms

Бактерии обнаруживают стресс с помощью сенсоров, которые изменяют активность регуляторов, контролирующих защитные гены. У многих бактерий общая стрессовая реакция, управляемая альтернативным сигма-фактором RpoS, включает широкую защитную программу, когда клетки переходят в стационарную фазу или сталкиваются с неблагоприятными условиями (Battesti et al., 2011). Специфические реакции включают накопление совместимых растворенных веществ для противодействия осмотическому стрессу (Csonka, 1991), индукцию шаперонов во время теплового шока и детоксикацию активных форм кислорода во время окислительного стресса. Ограничение питательных веществ запускает строгую реакцию через (p)ppGpp, что замедляет рост и перераспределяет ресурсы (Potrykus & Cashel, 2008). Небольшая часть клеток может перейти в спящее, стрессоустойчивое персистирующее состояние, которое выживает в условиях, летальных для растущих клеток (Lewis, 2010).

Clinical relevance

Стрессовые реакции помогают бактериям выживать в неблагоприятных условиях, включая те, с которыми они сталкиваются во время инфекции, а спящие персистирующие клетки связаны с трудностями искоренения некоторых хронических и рецидивирующих инфекций. Реакции на кислотный и окислительный стресс имеют отношение к тому, как бактерии противостоят защитным механизмам хозяина. Эта тема описывает эти механизмы выживания для понимания и не содержит рекомендаций по диагностике или лечению.

History

Исследования с 1980-х годов показали, что бактерии обладают специализированными регуляторными системами для борьбы со специфическими стрессами, такими как тепло, кислота и высокая осмолярность (Csonka, 1991), и выявили широкую общую стрессовую реакцию, координируемую сигма-фактором RpoS (Battesti et al., 2011). Концепция спящих персистирующих клеток, впервые отмеченная в середине XX века, была возрождена как отдельный феномен выживания в условиях стресса в современной микробиологии (Lewis, 2010), связывая физиологию стресса с персистенцией инфекции.

Key figures

• Susan Gottesman
• Laszlo Csonka
• Kim Lewis

Seminal works

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

Frequently asked questions

Что такое общая стрессовая реакция бактерий?

Это широкая защитная программа, у многих бактерий контролируемая альтернативным сигма-фактором RpoS, которая включает многочисленные гены для защиты клетки от ряда неблагоприятных условий, как правило, когда клетки прекращают расти или сталкиваются со стрессом.

Что такое персистирующие клетки?

Персистирующие клетки — это небольшая, находящаяся в состоянии покоя субпопуляция бактерий, которая переносит стрессы, включая условия, убивающие активно растущие клетки, не обладая генетической устойчивостью; они связаны с трудностями в искоренении некоторых хронических инфекций.