Khái niệm quorum sensing
Quorum sensing là cơ chế thông tin liên lạc giữa tế bào với tế bào, phối hợp với sự biểu hiện gene trong tế bào vi khuẩn để đáp ứng lại mật độ tế bào bằng cách sản xuất, giải phóng và dị tìm các phân tử dấu hiệu nhỏ, được gọi là các phân tử autoinducer (Defoirdt et al., 2004; Tu and Bassler, 2007; Tinh et al., 2007). Hệ thống quorum sensing điều khiển một số quá trình ở vi khuẩn gây bệnh như sự phát sáng, sự tiếp hợp, tạo thành khối u, sự quần tụ bầy đàn, sự hình thành bào tử, sự ăn mòn sinh học, sản xuất các chất kháng kháng sinh và quan trọng nhất là sự hình thành biofilm và các nhân tố gây độc ở vi khuẩn như các enzyme thủy phân, độc tố, siderophore và các phân tử gắn kết (Defoirdt et al, 2004; Tinh et al, 2007).
Cơ chế hoạt động của hệ thống Quorum sensing
Ở V. harveyi, HAI – 1 (Harveyi Autoinducer – 1) là một AHL (Acyl Homoserine Lactone) và quá trình sinh tổng hợp của HAI – 1 bị thủy phân bởi enzyme LuxM. AI – 2 (Autoinducer – 2) là một furanosyl borate diester, quá trình sinh tổng hợp của nó bị phân hủy bởi enzyme LuxS (Defoirdt et al., 2004; Tu and Bassler, 2006). Trong khi đó, q trình sinh tổng hợp CAI – 1(Cholerae Autoinducer – 1) bị phân hủy bởi enzyme CqsA (Tu and Bassler, 2006). Mỗi phân tử dấu hiệu autoinducer được phát hiện bởi một protein kinase cảm biến histidine tự động phosphoryl hóa gắn trên màng tế bào khác nhau cho từng loại autoinducer, cụ thể là
LuxN phát hiện HAI – 1, CqsS phát hiện CAI – 1, phức hợp LuxP – LuxQ phát hiện AI – 2. Tất cả 3 cảm biến này chuyển nhóm phosphate cho protein vận chuyển nhóm phosphate chứa histidine, LuxU và LuxU này sẽ chuyển nhóm phosphate cho protein điều hòa dựa vào σ54, LuxO. Trong điều kiện mật độ tế bào thấp (tức là nồng độ autoinducer không đáng kể), 3 sensor này hoạt động như một kinase và nhóm phosphate được chuyển đến LuxO. Khi đó, phức hợp LuxO∼P liên kết với σ54, ức chế sự biển hiện của gene mã hóa cho sự phát sáng (gene lux), vì thế khơng có sự phát sáng trong điều kiện này. Ở mật độ tế bào cao (nồng độ autoinducer có thể nhận ra được), sự tương tác của sensor với các autoinducer có cùng bản chất làm cho các sensor này chuyển từ phương thức hoạt động như một kinase sang phương thức hoạt động như một phosphatase dẫn đến q trình khử phosphoryl hóa LuxO. Khi đó, LuxO bị bất hoạt, dẫn đến sự biểu hiện của operon lux và điều khiển trực tiếp hoặc gián tiếp tất cả các gene đích của hệ thống quorum sensing.
Cơ chế phân tử của sự kết nối với LuxO dẫn đến sự điều hịa của gene đích đã được xác định ở V. harveyi. Ở mật độ tế bào thấp, phức hợp LuxO∼P liên kết với σ54, hoạt hóa sự biển hiện của gene mã hóa cho 5 RNA điều hịa nhỏ (sRNA) được gọi là Qrr 1 – 5. sRNA làm mất tính ổn định của mRNA của luxR. Khi khơng có sự hiện diện của luxR, sự biểu hiện gene kiểm sốt quorum sensing khơng xảy ra. Ở mật độ tế bào cao, q trình dephosphoryl hóa làm bất hoạt LuxO, kết thúc q trình sản xuất sRNA, giải thốt gene luxR khỏi sự ức chế cho phép sự điều hịa gene đích kiểm sốt quorum sensing.
Gần đây, sRNA được xem là một nhân tố điều hòa quan trọng hiện diện ở nhiều quá trình phát triển ở vi khuẩn và eukaryote. Ở nhiều sRNA của vi khuẩn, trong đó có V. harveyi, yêu cầu phải có sự hiện diện của Hfq, một RNA chaperone có cấu trúc và chức năng tương tự như protein Sm trong quá trình RNA splicing ở tế bào eukaryote. Hfq gắn với sRNA và phân tử mRNA đích của chúng để thực hiện quá trình bắt cặp các base và trong một số trường hợp, có thể đẩy nhanh q trình thối hóa phức hợp sRNA – mRNA.
Phân tử tín hiệu quorum sensing quyết định các yếu tố độc lực của V. harveyi bao gồm cả khả năng gây bệnh phát sáng. Do đó, nếu kiểm sốt được hoặc phân hủy được phân tử tín hiệu này có thể ức chế khả năng gây bệnh phát sáng của V. harveyi.
Hình 2.45: Cơ chế hoạt động của các hệ thống Quorum sensing ở V. harveyi.