การตอบสนองของแบคทีเรียต่อความเครียดจากสิ่งแวดล้อม

แบคทีเรียเผชิญกับการเปลี่ยนแปลงบ่อยครั้งในอุณหภูมิ, ความเป็นกรด, ความเข้มข้นของสารละลาย, การได้รับสารอาหาร และสภาวะออกซิเดชัน และพวกมันอยู่รอดได้ด้วยการตอบสนองต่อความเครียดที่ประสานกัน ซึ่งปรับเปลี่ยนการแสดงออกของยีนและสรีรวิทยา การตอบสนองเหล่านี้มีตั้งแต่ระบบเฉพาะสำหรับตัวกระตุ้นความเครียดเดี่ยว เช่น ความเครียดจากออสโมซิสหรือความร้อน ไปจนถึงการตอบสนองต่อความเครียดทั่วไปที่กว้างขวาง ซึ่งปกป้องเซลล์จากสภาวะที่ไม่พึงประสงค์หลายอย่างพร้อมกัน

Definition

การตอบสนองต่อความเครียดของแบคทีเรียคือการเปลี่ยนแปลงที่ถูกควบคุมในการแสดงออกของยีนและสรีรวิทยา ซึ่งแบคทีเรียรับรู้สภาวะแวดล้อมที่ไม่พึงประสงค์และปรับตัวเพื่อความอยู่รอด โดยมีตั้งแต่ระบบเฉพาะสำหรับตัวกระตุ้นความเครียด ไปจนถึงโปรแกรมป้องกันที่กว้างขวางสำหรับตัวกระตุ้นความเครียดหลายชนิด

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมการตอบสนองหลักของแบคทีเรียต่อความเครียดจากสิ่งแวดล้อม: การตอบสนองต่อความเครียดทั่วไป (ระยะคงที่), การควบคุมออสโมซิส, การตอบสนองต่อความเครียดจากความร้อนและกรด, การตอบสนองต่อความเครียดจากออกซิเดชัน, การตอบสนองอย่างเข้มงวดต่อการจำกัดสารอาหาร และปรากฏการณ์ของเซลล์เพอร์ซิสเตอร์ที่ทนต่อความเครียด นี่เป็นหัวข้ออ้างอิงในสรีรวิทยาของจุลินทรีย์และไม่มีคำแนะนำทางคลินิก

Core questions

• แบคทีเรียรับรู้และตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงในสิ่งแวดล้อมได้อย่างไร?
• การตอบสนองต่อความเครียดทั่วไปคืออะไร และป้องกันอะไรได้บ้าง?
• แบคทีเรียรับมือกับความเครียดจากออสโมซิส ออกซิเดชัน และสารอาหารได้อย่างไร?
• ทำไมเซลล์แบคทีเรียที่เครียดบางเซลล์จึงกลายเป็นเซลล์เพอร์ซิสเตอร์ที่อยู่เฉยๆ?

Key concepts

• การตอบสนองต่อความเครียดทั่วไปและปัจจัยซิกมา RpoS
• การควบคุมออสโมซิสและสารละลายที่เข้ากันได้
• การตอบสนองต่อภาวะช็อกความร้อนและความเครียดจากกรด
• การตอบสนองต่อความเครียดจากออกซิเดชัน
• การตอบสนองอย่างเข้มงวดและ (p)ppGpp
• เซลล์เพอร์ซิสเตอร์และการอยู่เฉยๆ

Mechanisms

แบคทีเรียตรวจจับความเครียดผ่านเซ็นเซอร์ที่เปลี่ยนแปลงกิจกรรมของตัวควบคุมยีนป้องกัน ในแบคทีเรียหลายชนิด การตอบสนองต่อความเครียดทั่วไป ซึ่งควบคุมโดยปัจจัยซิกมาทางเลือก RpoS จะเปิดใช้งานโปรแกรมป้องกันที่กว้างขวางเมื่อเซลล์เข้าสู่ระยะคงที่หรือเผชิญกับสภาวะที่ไม่พึงประสงค์ (Battesti et al., 2011) การตอบสนองเฉพาะรวมถึงการสะสมสารละลายที่เข้ากันได้เพื่อต้านทานความเครียดจากออสโมซิส (Csonka, 1991), การกระตุ้นชาเปอโรน (chaperones) ในระหว่างภาวะช็อกความร้อน และการล้างพิษชนิดออกซิเจนที่ทำปฏิกิริยา (reactive oxygen species) ในระหว่างความเครียดจากออกซิเดชัน การจำกัดสารอาหารกระตุ้นการตอบสนองอย่างเข้มงวดผ่าน (p)ppGpp ซึ่งชะลอการเจริญเติบโตและเปลี่ยนเส้นทางการใช้ทรัพยากร (Potrykus & Cashel, 2008) เซลล์ส่วนน้อยสามารถเข้าสู่สภาวะเพอร์ซิสเตอร์ (persister state) ที่อยู่เฉยๆ และทนต่อความเครียด ซึ่งอยู่รอดได้ในสภาวะที่อันตรายถึงชีวิตสำหรับเซลล์ที่กำลังเจริญเติบโต (Lewis, 2010)

Clinical relevance

การตอบสนองต่อความเครียดช่วยให้แบคทีเรียอยู่รอดในสภาวะที่ไม่เอื้ออำนวย รวมถึงสภาวะที่พบระหว่างการติดเชื้อ และเซลล์เพอร์ซิสเตอร์ที่อยู่เฉยๆ มีความเกี่ยวข้องกับความยากลำบากในการกำจัดเชื้อบางชนิดที่ก่อให้เกิดการติดเชื้อเรื้อรังและกลับเป็นซ้ำ การตอบสนองต่อความเครียดจากกรดและออกซิเดชันมีความเกี่ยวข้องกับวิธีที่แบคทีเรียต้านทานการป้องกันของโฮสต์ หัวข้อนี้อธิบายกลไกการอยู่รอดเหล่านี้เพื่อความเข้าใจและไม่ได้ให้คำแนะนำในการวินิจฉัยหรือการรักษา

History

งานวิจัยตั้งแต่ทศวรรษ 1980 เป็นต้นมาเผยให้เห็นว่าแบคทีเรียมีระบบควบคุมเฉพาะสำหรับการรับมือกับความเครียดเฉพาะ เช่น ความร้อน กรด และความเข้มข้นของสารละลายสูง (Csonka, 1991) และระบุการตอบสนองต่อความเครียดทั่วไปที่กว้างขวางซึ่งประสานงานโดยปัจจัยซิกมา RpoS (Battesti et al., 2011) แนวคิดของเซลล์เพอร์ซิสเตอร์ที่อยู่เฉยๆ ซึ่งถูกกล่าวถึงครั้งแรกในช่วงกลางศตวรรษที่ 20 ได้รับการฟื้นฟูให้เป็นปรากฏการณ์การอยู่รอดจากความเครียดที่แตกต่างกันในจุลชีววิทยาปัจจุบัน (Lewis, 2010) ซึ่งเชื่อมโยงสรีรวิทยาของความเครียดกับการคงอยู่ของการติดเชื้อ

Key figures

• Susan Gottesman
• Laszlo Csonka
• Kim Lewis

Seminal works

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

Frequently asked questions

การตอบสนองต่อความเครียดทั่วไปของแบคทีเรียคืออะไร?

เป็นโปรแกรมป้องกันที่กว้างขวาง ซึ่งในแบคทีเรียหลายชนิดถูกควบคุมโดยปัจจัยซิกมาทางเลือก RpoS ซึ่งจะเปิดใช้งานยีนจำนวนมากเพื่อปกป้องเซลล์จากสภาวะที่ไม่พึงประสงค์ต่างๆ โดยทั่วไปเมื่อเซลล์หยุดการเจริญเติบโตหรือเผชิญกับความเครียด

เซลล์เพอร์ซิสเตอร์คืออะไร?

เซลล์เพอร์ซิสเตอร์คือประชากรย่อยขนาดเล็กของแบคทีเรียที่อยู่เฉยๆ ซึ่งทนต่อความเครียด รวมถึงสภาวะที่ฆ่าเซลล์ที่กำลังเจริญเติบโตอย่างแข็งขัน โดยไม่มีการดื้อยาทางพันธุกรรม พวกมันมีความเกี่ยวข้องกับความยากลำบากในการกำจัดเชื้อบางชนิดที่ก่อให้เกิดการติดเชื้อเรื้อรัง