Quorum Sensing (çekirdek algılama, QS), bakterilerin birbirleriyle ve çevreleriyle iletişimini ve hücre popülasyonlarının algılanmasını sağlayan bir süreçtir. Bakteriler QS ile hücre dışı sinyal moleküllerinin algılanması, salınması, biriktirilmesi ve saptamasını yaparak gen ekspresyonlarını düzenlemektedir. Bu süreçlerde oto-indükleyiciler (autoinducer, AL) kullanılmakta ve hücrelerin kontrollü olarak birlikte yaşaması sağlanmaktadır.
Mashruwala ve arkadaşları, Kolera hastalığına neden olan ve sektörler geliştirerek koloni oluşturan Vibrio cholerae bakterisinin sahip olduğu iki paralel QS yoluyla, oto-indükleyicilerde bulunan bilgileri bir transkripsiyon faktörü olan LuxO’ya aktararak Tip IV salgılama sistemi (T6SS) aracılı hücre ölümünün varyant suşlarının oluşumu üzerine etkisini araştırmıştır.
İlk olarak V. cholerae modelinde koloni sektörleşmesinin dinamiklerine odaklanan araştırmacılar, bakteri saflaştırma işlemi sonrasında elde edilen izolatlarda, El Tor biyotip suşu 2740-80’nin farklı morfolojiye sahip kolonileşme sergilediği gözlenmiştir. Bu suş üzerinde yapılan analizler, opaklaşan kolonilerin QS düzenleyicileri LuxO ve HapR kodlayan genlerinde tek nükleotid polimorfizmi (SNP), delesyon, insersiyon ya da insersiyon elementi aracılı kesinti mutasyonlarının olduğu tespit edilmiştir. Daha sonra mutasyonların fonksiyon kaybı ya da kazancı alelleri ile ilişkisini değerlendirdiklerinde, LuxO varyantlarının fonksiyon kazancı, HapR varyantlarının ise fonksiyon kaybı alelleri olduğu saptanmıştır. Elde edilen bilgiler, tanımlanan QS varyantlarının düşük hücre yoğunluğunda (LCD) bakteri kolonilerini QS moduna kilitlediğine işaret etmiştir.
V. cholerae 2740-80’de uzamsal-zamansal hücre ölümünün mekanizmalarını aydınlatmak için dört çift T6SS efektör-bağışıklık proteininden yoksun bir izojenik suşta, mKO floresan proteini ile işaretlenmiş canlı hücreler ve SytoX (Cyan) ile boyanmış ölü hücrelerde hızlandırılmış floresan mikroskobu ile yapılan analizler, hücre ölümünün 2 fazda gerçekleştiğini göstermiştir. Farklı T6SS efektörleri, öldürme için faz I aşamasında VgrG3 ve VasX proteinlerine ihtiyaç duyarken; faz II aşamasında TseL’e bağımlı durumda gözlemlenmiştir. QS kontrol mekanizmasındaki faz I aşaması, popülasyonda artan genetik çeşitliliğin ortaya çıkması için anahtar bir süreçtir; çünkü T6SS ve vibrio polisakkarit (Vps) genleri, faz I hücre ölümü sırasında ekspresyonda bölgesel farklılıklar göstermiştir. Çalışmada, T6SS’nin bakteriye özgü 2 fazlı hücre ölümünü yönlendirdiği sonucuna varılmıştır. T6SS aktivitesinin koloni sektörleşmesi üzerine etkilerinin araştırıldığı ileri analizler, incelenen suşlardaki fenotiplerin değerlendirilmesi ile birlikte T6SS’nin sektörleşmeyi de yönlendirdiğini göstermiştir.
V. cholerae 2740-80’de, T6SS saldırılarına karşı artan vibrio Vps üretiminin, LCD durumunda kilitli QS varyantlarının savunma kapasitesiyle olan ilişkisi incelendiğinde Vps üretiminin T6SS saldırılarına karşı gelişmiş savunmayı desteklediği bulunmuştur. Ek olarak, yüksek seviyelerde Vps üretiminin koruyucu etkisinin, bağışıklık faktörlerinin tamamen yokluğundan kaynaklanan öldürme duyarlılığının üstesinden gelebileceği gösterilmiştir.
Modifiye edilmiş bir hücre ölüm modelinde, LCD kilitli QS modunun üzerinde çalışıldığında ise sektörleme fenotipi için faz I hücre ölümünün anahtar olduğu, faz II hücre ölümünün sektörleme için vazgeçilebileceği tespit edilmiştir. Elde edilen bilgiler ışığında, QS aracılı T6SS hücre ölümünü, Vps ve bölümleme fenotiplerine bağlayan mekanizmayı belirlemek amacıyla T6SS gen kümesinin translasyonunu baskılayan ve dolaylı olarak VPS gen ekspresyonunu aktive eden Qrr sRNA‘lar araştırılmıştır. LCD kilitli LuxO QS varyantlarının, T6SS bileşenlerini baskılayan ve Vps üretimini aktive eden Qrr sRNA’ları sergilediği, bu değişikliklerin hücre ölümünü azalttığı ve sektörleşmeyi ortadan kaldırdığı sonucuna varılmıştır.
V. cholerae 2740-80’deki faz I hücre ölümü sırasında; yüksek hücre yoğunluğunda (HCD), QS ve T6SS öldürme ile ilgili genlerin koloni kenarında bulunan hücrelerde merkezden daha yüksek seviyelerde eksprese edildiği tespit edilmiştir. Koloni merkezindeki hücrelerde ise LCD QS ve T6SS davranışını daha yüksek gen ekspresyon seviyesini gösterdiği bulunmuştur. Araştırmacılara göre, bu uzamsal olarak farklı gen ekspresyon modellerinin, V. cholerae 2740-80 kolonilerinde meydana gelen hücre ölüm modeline yönlendirildiği varsayılmıştır. Ek olarak, aynı genlerin diferansiyel ekspresyonunun geçici olarak farklı bir şekilde de meydana gelebileceği; fakat bu özelliğin doğrulanması gerektiği belirtilmiştir.
QS’in, T6SS ve Vps genlerinin V. cholerae 2740-80 kolonilerinde uzaysal-zamansal mekanizmalar olarak formüle etmesi sonucunda iki tahmin ortaya atılmıştır. İlk olarak, T6SS üretiminin zenginleştirilmiş V. cholerae 2740-80 koloni hücrelerinde üretilmesi, zenginleştirilmiş popülasyonlarda ölümü kaçınılmaz olarak hızlandırdığı herhangi bir uzaysal-zamansal modeli ortadan kaldırmaktadır. İkinci olarak, LCD durumunda kilitli bir QS suşunda T6SS üretiminin tekrar başlaması, hücre ölümünü eski haline getirerek sektörleşmeye yönlendirmektedir. Bu tahminlerin moleküler analizlerle değerlendirildiği çalışmalarda, tüm testlerde hücre ölümü ve bölünmesi izlenmiştir. Böylelikle, V. cholerae’de, T6SS öldürme aktivitesi, LCD kilitli QS mutasyonlarını elde etmek amacıyla koloniler üzerinde seçici bir baskı uygulayarak, büyümeyi ve sektör oluşumunu teşvik ettiği sonucuna varılmıştır.
Özetle, V. cholerae kolonilerinde, Quorum Sensing ve Tip VI salgılama (T6SS) ile hücre ölümünü tetiklediği ve faz I aşamasında akraba kolonileri öldürme yoluyla genetik çeşitliliği artıran varyantların ortaya çıkmasına neden olan bir mekanizmanın varlığını ortaya konmuştur.
Yazar: Gizem Karayalçın
Editör: İrem Coşkuntan
Referans: Mashruwala, A. A., Qin, B., & Bassler, B. L. (2022). Quorum-sensing- and type VI secretion-mediated spatiotemporal cell death drives genetic diversity in Vibrio cholerae. Cell, 185(21), 3966–3979.e13. https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.09.003
-Bioinforange Bilimsel Haber Servisi-
Haber Yazıları, 20> Etki Faktörlü Q1 dergilerinde yayınlanan (listesi için tıklayınız)
bilimsel araştırmaların ekip arkadaşlarımız tarafından incelenip derlemesi ile hazırlanmaktadır.
