LuxI-LuxR Tip Çevreyi Algılama Sistemi

Gram-negatif bakteriler arasında en iyi çalışılmış çevreyi algılama sistemi LuxR-LuxI homolog sistemidir (Şekil 2.8) ve temel sinyal molekülü açil homoserin laktonlardır. Bu çevreyi algılama sistemi, gram-negatif bakteriler arasında yaygındır ve konakla ilgili virülens faktörlerinin ve sekonder metabolitlerin üretiminin kontrol edilmesinde rol oynar (Hentzer ve Giskov, 2002).

Pek çok bakteride Açil-HSL moleküllerinin varlığı tespit edilmiştir. Genellikle bu sinyal molekülüleri yağ açil zincirine amid bağıyla bağlanmış homoserin lakton molekülünden oluşur. Farklı bakteriler arasında Açil-HSL molekülleri açısından çeşitlilikler mevcut iken aynı bakteri türünce sentezlenen farklı Açil-HSL molekülleri de mevcuttur. Açil zincirinin uzunluğu 4-16 C arasında değişebilir. C-16 HSL molekülü Rhodobacter capsulatus tarafından üretilir. Açil zincirinin 3.C’u tamamiyle okside olabileceği gibi, taşıdığı hidroksil grubuyla tamamen redükte bir durumda da bulunabilir (Fuqua ve Greenberg, 2002) .

Geçen 10 yıl içerisinde 25’den fazla gram-negatif bakteri türünde çevreyi algılama döngüsünün olduğu tespit edilmiştir. V. harveyi ve M. xanthus’un çevreyi algılama sistemleri hariç gram negatif bakterilerdeki tüm çevreyi algılama sistemi, simbiyotik bakteri olan V. fischeri’deki döngüye benzer. Bu bakteriyel çevreyi algılama döngüleri en azından V. fischeri’nin regülatör proteini olarak bilinen LuxI ve LuxR proteinlerinin homologlarını içerirler.

LuxI benzeri proteinler, sinyal molekülü olarak bilinen homoserin lakton sinyal moleküllerinin biyosentezinden sorumludur. Ortamdaki sinyal molekülü konsantrasyonu, çoğalan hücre populasyon yoğunluğuyla artar.

LuxR benzeri proteinler aynı kökenli homoserin lakton sinyal moleküllerine, bu moleküllerin yoğunlukları kritik sınır değerine ulaştığında bağlanır ve bu molekül kompleksi hedef genin transkripsiyonunu da aktive ederek, genler tarafından kodlanan özelliklerin gerçekleştirilmesini sağlar (Miller ve Bassler, 2001).

a)

b)

Şekil 2.8. Vibrio fischeri’ de luxR-I tip çevreyi algılama sistemi ve ışık üretimi a) düşük bakteri konsantrasyonunda luxR-I düşük seviyede ekspresse edilir ve ortamdaki OHHL miktarı genlerin ekspresyonu için yetersizdir, b) yüksek bakteri konsantrasyonunda OHHL miktarı eşik değere ulaşır ve OHHL-LuxR kompleksi biyoışımanın gerçekleştirilmesini sağlar

LuxI LuxR

luxR luxI luxC luxD luxA luxB luxE

OHHL

LuxI LuxR

luxR luxI luxC luxD luxA luxB luxE

OHHL

+

AHL moleküllerinin spesifik reseptörleri, transkripsiyonel regülatörlerin LuxR ailesinin üyelerindendir. LuxR ailesinin üyeleri DNA’ya bağlanan C-terminal ve AHL’lara bağlanan N-terminal domainleri olmak üzere 2 domainden oluşur.

Genellikle R ve I genleri birbirleriyle bağlantılı olarak işlev gösterirler (Parsek ve Greenberg, 2000).

Gram-negatif bakteriler, çevreyi algılama mekanizmasını kullanarak, hücre populasyon yoğunluğundaki değişikliklerle, gen expresyonunu iyi şekilde düzenlerler (Çizelge 2.1). 25 tür bakteri arasında çevreyi algılama sistemi LuxI/LuxR tip döngüye dayalı olanlardan V. fischeri, P. aeruginosa, A. tumefaciens ve E.

carotovora en iyi çalışılmış sistemlerdir (Miller ve Bassler, 2001).

V. fischeri, pek çok ökaryotik konakla simbiyotik ilişki içinde yaşar. Bu örneklerde konak canlı, özelleşmiş bir ışık organına sahiptir. Ayrıca bu simbiyotik yaşamda ökaryotik konak V. fischeri’ye yaşaması için besince zengin bir ortam sağlar. Ve her ökaryotik konak bakterinin sağladığı ışığı özel amaçlar için kullanırlar. Örneğin, mürekkep balığı Euprymna scolopes–V. fischeri birlikteliğinde mürekkep balığı bu olayı savunma aracı olarak kullanır (Şekil 2.6). Yine bir balık olan Monocentris japonicus, V. fischeri’nin ürettiği ışığı karşı cinsi cezbetmek için kullanır. Bu durum da bu balığın üzerinde karşı cinsi cezbetmek için ışık saçan iki bölge bulunmaktadır.

V. fischeri’nin ürettiği ışık, avcılardan kaçmak ve yemini kendine doğru çekmek için de kullanılmaktadır. Işık emisyonu, ışık organındaki bakteri kültürünün hücre yoğunluğuyla sıkı şekilde ilişkilidir ve bu olay çevreyi algılama sistemi ile kontrol edilir. Işık organında V. fischeri’nin yoğunluğu ml’de 10¹¹ hücre gibi oldukça yüksek değerlere ulaşır. V. fischeri kültürünün yoğunluğu arttıkça ürettiği sinyal molekülü hormonu hücre dışına salar. Bu hormon bakterinin ışık organının içinde tutulur.

Uygun pozisyonundaki ışık organında kümeleşen her önemli yoğunlukta, sinyal olarak görev görür. Otoindukleyicinin kümeleşmesi, konağın içindeki bakterileri dışarıdaki deniz suyundaki bakterilerle iletişim kurarak uygunsuzluğu gösterirler. V.

fischeri’nin çevreyi algılama sistemi, bu bakterinin ışık üretiminin sadece ışık için olumlu durumlar olduğunda üretilmesini sağlar. V. fischeri’nin hücre sayısı arttıkça, sinyal molekülü kümeleşerek yeterli sınır değere ulaşır. (~ 1-10 µg/ml) LuxR, LuxI

CDABE promotoruna bağlanır ve onun transkripsiyonunu aktive eder. Bu olay hem sinyal molekülü üretiminde hem de ışık emisyonunda hızlı artışa neden olur. LuxR-homoserin lakton komplexi aynı zamanda LuxR’ın expresyonunda negatif düzenleyici olarak da rol oynar (Miller ve Bassler, 2001).

A. tumefaciens, hassas konaklarda taç tümörlerini uyaran bitki patojenidir. A.

tumefaciens’te çevreyi algılama sistemi bakteriler arasında Ti plazmitinin konjugal transferini kontrol eder. Tümör oluşum süreci için, onkogenik Ti pilazmitinin bakteriden konağa transferi gereklidir. Ti plazmit genleri bitkide opinelerin biyosentezini ve salgılanmasını yönetir. Ti plazmiti aynı zamanda tümörlerle sonuçlanan konak hücresinin çoğalmasını uyaran bitki hormonlarının üretimini sağlayan genleri kodlar (Fuqua ve Winans, 1996).

Erwinia türleri hasat öncesi ve sonrası dönemlerde çeşitli bitki türlerinde hastalıklara neden olan fırsatçı bir fitopatojendir. Bitkiler üzerinde saprofit olarak yaşarlar.

Bitkilerde sulu çürüğe neden olurlar ve özellikle patates ve havuçlarda ürün kaybına yol açarlar. Bu sulu çürüğe konağın hücre duvarını parçalayan enzimler neden olur.

Bu enzimler arasında pektatliyaz (pel), poligalaktoüronaz (peh), selülaz (cel), proteaz (prt) sayılabilir. Bu enzimler iki farklı mekanizmasıyla salgılanırlar. E.

carotovora’nın bazı türleri bir beta laktam antibiyotik olan 1-carbapen-2-em-3-karboksilik asit üretirler. Bu antibiyotik üretimi, bakterinin rizosferde, antibiyotiğe hassas diğer yarışçı bakterilerin sayısını azaltarak, Erwinia’nın hayatını devam ettirmesini sağlar. Bu bakteride de tüm bu ekzoenzimlerin (Jones vd., 1993) ve antibiyotiğin üretimi (Bainton vd., 1992) çevreyi algılama sistemi tarafından kontrol edilir.

Çizelge 2.1. Çevreyi algılama sistemini kullanan bazı bakteriler ve bunların çevreyi algılama sisteminde rol alan homoserin lakton molekülleri.

ORGANĐZMA SĐNYAL

MOLEKÜLÜ

REGÜLATÖR PROTEĐNLER

FENOTĐP Vibrio fischeri (3-Okzo -C6-HSL)

N- (3-okzohekzanoyl)-HSL

LuxI/LuxR Biyoışıma

Vibrio harveyi 3-Hidroksi-BHL LuxLM/LuxN Biyoışıma Vibrio anguillarum 3-Okzo-C10-HSL VanI/VanR

P. aeruginosa a)N-(3- Okzo

C6-HSL RhiI/RhiR RhiABC

rhizosphere-expressed

Aeromonas hydrophila BHL N-bütanoyil-HSL AhyI/AhyR Ekzoproteaz üretimi Aeromonas

Serratia liquifaciens N- bütanoyil -HSL (BHL)