CH NGă 1 T NG QUAN TÀI LIU
1.5. S hình thành và vai trò ca màng sin hh căđ ivi S aureus
1.5.2. Quá trình hình thành biofilm vàcá cy ut đ c lc
Các tài li u hi n t i mơ hình hóa s phát tri n c a màng sinh h c c a S. aureus trong ba giai đo n: (1) bám dính, (2) t ng sinh hay hình thành màng sinh h c tr ng thành, và (3) tách ra hay phân tán [43]. Chu trình hình thành biofilm đ c th hi n Hình 1.1.
Giai đo n đ u tiên là bám dính vào b m t. B m t này có th là sinh h c hay phi sinh h c. i u ki n b m t đ bám dính đóng vai trị quan tr ng thơng qua các thơng s hóa lý khác nhau: tính k n c, thành ph n hóa h c c a v t li u, n ng l ng b m t, đi n tích t nh đi n, nhi t đ , đ nhám b m t và trong tr ng h p k t dính b m t sinh h c: liên quan đ n protein trong huy t thanh và mô. M t b m t có th g n k t ho c đ y vi khu n theo các y u t đ c mô t , trong đó tính k n c đ c coi là quan tr ng nh t. Vi khu n có th bám trên b m t sinh v t ho c phi sinh h c nh s tham gia c a các phân t b m t vi khu n c th , nh protein b m t, autolysin ho c axit teichoic làm thay đ i các đ c tính hóa lý c a b m t vi khu n ch không ph i qua trung gian g n k t nh vào t ng tác v i th th trung gian nh t đnh [43].
Staphylococci g n vào b m t sinh h c nh mô ng i là nh t ng tác c th v i các y u t đ c l c c a nó. Nh ng vi khu n này s h u nhi u lo i protein c đnh trên b m t ch ng h n nh các thành ph n b m t vi sinh v t nh n bi t các phân t ch t k t dính (MSCRAMMS). MSCRAMMS đ c c u trúc thành ba ph n: vùng liên k t, vùng xuyên thành t bào và ph n th ba ch u trách nhi m v s g n k t c ng hóa tr ho c khơng c ng hóa tr c a các protein MSCRAMM trên b m t vi khu n. Nh ng
ch t k t dính này có th liên k t v i m t ho c m t s protein n n khác nhau c a v t ch (fibronectin, fibrinogen, v.v.). Các liên k t c ng hóa tr đ c xúc tác b i các phân lo i nh n bi t các mơ típ LPXTG (Leu-Pro-any-Thr-Gly). Các protein b m t khác tham gia vào q trình k t dính là protein Sdr (h protein l p l i Serin aspartate) ho c Aap (protein liên k t tích t ). Các liên k t khơng c ng hóa tr đ c b o đ m b i các protein khác nh Atl. Autolysin (Atl), tham gia vào quá trình luân chuy n thành t bào, là m t trong nh ng protein phong phú nh t trên b m t vi khu n t c u và có các v trí liên k t đ i v i các protein ch t n n c a con ng i [44]. Staphylococci đ c bi t đ n v i kh n ng bám dính cao trên b m t nh a. Axit teichoic, không tham gia vào q trình bám dính S. aureus trên b m t sinh h c, là nh ng h p ch t quan tr ng hi n di n trong thành t bào và đóng vai trị trong vi c bám dính trên b m t nh a nh s t ng tác c a chúng v i các polymer b m t. Ngoài axit teichoic, hai ch t k t dính khác có vai trị bám dính trên nh a: protein b m t liên k t thành t bào (Bap) liên quan đ n s k t dính v i b m t polystyrene và SasC - m t protein b m t liên quan đ n s g n k t trên polystyrene không liên k t trung gian v i fibrinogen, thrombospondin 1, y u t von Willebrand hay ti u c u. Ngồi ra, cịn có các autolysin t o đi u ki n g n vào nh a [45].
Giai đo n ti p theo là quá trình t ng sinh và tr ng thành màng sinh h c, v i vi c s n xu t ch t n n ngo i bào bao g m exopolysaccharide (EPS), ch t k t dính gi a các t bào (PIA), axit teichoic, protein và eDNA. Trong giai đo n này, các kênh và c u trúc có hình n m hình thành đ t o đi u ki n thu n l i cho vi c phân b ch t dinh d ng đ n các l p sâu h n c a màng sinh h c [46]. Quá trình tr ng thành b t đ u khi các t bào vi khu n c m ng ch ng trình và t o ra s k t h p gi a các t bào thông qua vi c s n xu t "ch t nh n" th ng đ c g i là ch t n n ngo i bào (matrix). t c u khu n, phân t màng sinh h c k t dính đ c mô t nhi u nh t là polysaccharide k t dính gian bào (PIA) ho c poly N- acetylglucosamine (PNAG) và đ i di n cho ph n chính trong matrix c a biofilm staphylococci. PIA có m t vai trị quan tr ng trong c u trúc màng sinh h c và các b nh nhi m trùng liên quan đ n màng sinh h c. B ng cách đ a đi n tích d ng vào mơi tr ng b m t t bào vi khu n mang đi n tích âm, PIA ho t đ ng gi ng nh m t ch t keo dính các t bào l i v i nhau b ng
t ng tác t nhđi n. Tuy nhiên, PIA khơng có trong t t c các ch ng phân l p t các b nh nhi m trùng liên quan đ n biofilm. Vì v y, m t s ch t khác nh protein s ph i đóng vai trị t ng t thay th PIA, ch ng h n nh các protein Aap, protein liên k t ch t n n ngo i bào (Embp), protein A, protein liên k t fibrinogen (FnbpA và FnbpB) ho c protein b m t S. aureus G (SasG) [47].
Hình 1.1. Quá trình hình thành biofilm [43]
Các protein amyloid c ng đã đ c cho r ng đóng vai trò quan tr ng đ i v i c u trúc màng sinh h c, mang l i s n đ nh cho ch t n n. Các s i protein này có th liên k t eDNA. Bap - m t protein b m t liên k t thành t bào khác, đ ng th i tham gia vào q trình k t dính, c ng nh c n thi t cho s tr ng thành c a biofilm và s lây nhi m trên tuy n vú bò. Protein này ho t đ ng nh m t c m bi n, nó ph n ng v i các đi u ki n môi tr ng (nh n ng đ canxi), và Bap c ng là m t protein g n k t (scaffold protein) t o thành th dính gi ng v i amyloid n ng đ canxi th p và trong đi u ki n pH có tính axit. Y u t quan tr ng th ba c a thành ph n ch t n n là eDNA. eDNA, m t phân t polyanionic có trong ch t n n màng sinh h c, đ c mô t nh m t ph i t có th liên k t v i các phân t khác có trong ch t n n nh axit teichoic ho c PIA. Do đó, eDNA có vai trị trong c u trúc màng sinh h c. S xu t hi n này d a trên s tham gia c a quá trình ch t t bào: DNA đ c gi i phóng t vi khu n ly gi i còn đ c g i là eDNA, có vai trị quan tr ng trong giai đo n bám dính
ban đ u và tr ng thành c a biofilm. DNA ngo i bào xu t hi n thơng qua q trình ch t t bào theo ch ng trình c a vi khu n và thông qua s bi u hi n c a gen cidA mã hóa cho holin (nhóm các protein nh có ngu n g c t bacteriophage) ch u trách nhi m ly gi i t bào vi khu n [48].
Giai đo n cu i c a quá trình phát tri n màng sinh h c đ c đ c tr ng b i s tách r i c a các c m màng sinh h c và phát tán các c m này đ n các v trí khác. Trong giai đo n th hai và th ba c a quá trình phát tri n màng sinh h c, ng i ta cho r ng s phá v l c k t dính gi a các t bào là c n thi t đ hình thành các kênh và c u trúc hình n m, và c ng đ tách/ phân tán màng sinh h c. Nghiên c u tr c đây đã ch ra r ng protease, nuclease và m t h protein đ c g i là các modulin hòa tan phenol (Phenol-soluble modulins - PSM) đóng góp vào q trình này. Tuy nhiên, trong s các phân t tác đ ng đ c đ xu t này, cho đ n nay, ch có PSM đã đ c ch ng minh m t cách nh t quán đ t o đi u ki n cho s tr ng thành và phân tán c a màng sinh h c c a t c u vàng thơng qua c mơ hình in-vitro và in-vivo [44]. PSM là m t h các peptit nh (dài kho ng 21–44 axit amin), có c u trúc b c hai xo n , l ng tính và các đ c tính gi ng nh ch t ho t đ ng b m t. Các peptit nh h n 20 amino axit đ c nhóm vào lo i và peptit axit amin dài h n 44 đ c x p vào nhóm c a PSM [45]. C ch chung mà PSM góp ph n vào c u trúc và phân tán màng sinh h c đ c cho là s phá v các t ng tác không c ng hóa tr (t nh đi n ho c k n c) gi a các đ i phân t ch t n n màng sinh h c. Quá trình phân tán biofilm liên quan đ n con đ ng tín hi u đi u hịa c m ng m t đ t bào vi khu n (Quorum sensing - QS) c a S. aureus, đ c bi t đ n nhi u nh t là h đi u hòa gen liên quan (accessory gene regulator- Agr). H th ng này còn liên quan đ n vi c đi u hòa các y u t đ c l c c a S. aureus. H th ng Agr đ c c m ng b i m t ph i t ngo i bào, là m t peptide c m ng (autoinducing peptide - AIP), là m t c m bi n v m t đ t bào vi khu n, chính vì đi u đó mà Agr đ c xem là m t h th ng đi u hoà c m nh n m t đ . Trong quá trình hình thành biofilm, h th ng c m nh n m t đ Agr b kìm hãm đ ng n ch n s bi u hi n c a các y u t phân tán và xâm l n c a S. aureus, sau đó nó đ c kích ho t trong q trình phát tán c a vi khu n. Trong giai đo n đ u, m t đ t bào th p và do đó, ho t đ ng c m nh n m t đ Agr y u, ng c l i protein c a thành t bào ho c ch t
k t dính b m t khơng b ki m soát và đ c bi u hi n r t cao. Trong giai đo n sau, ho t đ ng c a Agr t ng lên theo m t đ t bào và đi u ch nh các y u t đ c l c đ c ti t ra nh lipase, protease và hemolysin [43, 49].
1.5.3. Cácăconăđ ngăđi uăhòaăliênăquanăđ n s hình thành biofilm
1.5.3.1. Các y u t đi u hịa chính liênăquanăđ n s hìnhăthƠnhăbiofilmăvƠăđ c l c S. aureus
Quá trình hình thành biofilm S. aureus là s k t h p hài hòa c a nhi u y u t đi u hòa liên quan t giai đo n bám dính đ n giai đo n cu i phát tán vi khu n. Trong đó, 2 nhóm đi u hịa l n c ng nh đóng góp trong q trình ki m sốt hình thành biofilm và đ c l c là y u t đi u hòa gen liên quan trên Staphylococcus (Staphylococcal accessory regulator - SarA), đi u hòa c m ng m t đ Agr và y u t đi u hòa B hay sigB [39, 50]. S đi u hòa các gen liên quan này đ c th hi n Hình 1.2.
B là m t y u t sigma thay th đ c tìm th y t c u vàng và các vi khu n Gram d ng khác, đóng vai trị quan tr ng trong đáp ng v i stress c a môi tr ng.
S. aureus, B đ c kích ho t b ng cách truy n tín hi u đ ph n ng v i nhi t đ cao, đ th m th u cao, kháng sinh ho c pH c c đoan. SarA là m t trong 11 các h protein c a Sar, nó đ c nghiên c u nhi u nh t trong s các protein Sar khác. Protein SarA có th ho t đ ng nh m t ch t kích ho t ho c ch t kìm hãm quá trình phiên mã. SarA là m t protein đi u hịa tồn nh h ng đ n s bi u hi n c a nhi u gen S. aureus bao g m nhi u gen liên quan đ n quá trình s n sinh đ c l c khi n cho SarA tr thành m t y u t đ c l c chính. Trong s các gen đ c SarA t ng c ng đi u hịa có locus agr [50].
Có th th y đ c s đi u hòa c a các y u t này thông qua t ng giai đo n c a biofilm nh sau: t i giai đo n s m hình thành biofilm, các y u t c n thi t là các y u t bám dính đ vi khu n có th bám trên b m t v t ch hay b m t phi sinh h c nh t đ nh. làm đ c đi u này, y u t sigB t ng c ng ho t đ ng c a sarA và đ ng th i c ch agr [43]. Vi c t ng c ng ho t đ ng c a sarA liên quan đ n vi c bi u hi n các y u t bám dính biofilm không ph thu c PIA, bao g m protein bám fibronectin A và B (FnBPA, FnBPB), Bap, SasG và Spa. H th ng SarA còn đ ng th i c ch
gen icaR, giúp cho operon icaADBC ho t đ ng và t o thành PIA, thành ph n chính trong ch t n n biofilm [39, 43]. Ngồi ra, SarA cịn c ch bi u hi n các protein nh h ng đ n ch t n n c a biofilm nh protease và nuclease, giúp h n ch vi c phân hu eDNA và protein trong ch t n n, gi n đ nh c u trúc biofilm.
Hình 1.2. T ng quan các con đ ng đi u hịa chính trong q trình hình thành biofilm S. aureus [50]
Trong quá trình hình thành biofilm, d i đi u ki n stress t mơi tr ng, B đóng góp vào c u trúc biofilm thông qua vi c đi u hịa t ng h p autolysin AtlA có m t trên màng t bào vi khu n khi n chúng tách thành các ti u ph n nh là amidase (Ami) và glucosaminidase (GL), d n đ n tình tr ng t ly gi i, gây ch t vi khu n và làm t ng c ng s có m t c a eDNA trong l p biofilm [51]. eDNA cịn đ c hình thành thơng qua s ch t theo l p trình c a vi khu n d i s đi u khi n c a operon cid, mã hóa cho murein hydrolase [51].
C u trúc biofilm còn ch u nh h ng b i m t đ t bào bên trong nó, thơng qua 2 h th ng c m bi n m t đ c a S. aureus là agr và luxS [51]. u tiên là h th ng agr, h th ng này bao g m 2 vùng phiên mã là RNA-II và RNA-III, vi c kích ho t 2 thành ph n này trên agr ph thu c vào các ch t c m ng trên 2 promoter t ng ng là P2 và P3. Quá trình ho t đ ng c a h th ng Agr đ c th hi n Hình 1.3. Vùng RNAII bao g m 4 gen là agrB, agrD, agrC và agrA. Gen agrD phiên mã cho
ti n peptide tín hi u c m ng ngo i bào c a h th ng Agr là peptide t c m ng (Autoinducing peptide-AIP). AIP d ng hoàn ch nh có kích th c 7-9 amino acid và ch a vịng thiolactone n m gi a cysteine và đi C chu i amino acid. S n ph m c a gen agrB là enzym xuyên màng endopeptidase, ch u trách nhi m cho vi c bi n đ i thiolactone, c t đi C và sau đó xu t bào các phân t AIP. Hai gen agrC và agrA mã hóa cho h th ng truy n tín hi u 2 thành ph n bao g m c m bi n histidine kinase AgrC, m t protein xuyên màng đ c phosphoryl hóa khi liên k t v i AIP, và b đi u hòa c m ng liên quan là ArgA. Khi đ c kích ho t b i q trình phosphoryl hóa ph thu c AgrC, AgrA liên k t v i vùng promoter P2 đ i v i RNAII và vùng promoter P3 đ i v i RNAIII, c ng nh các promoter ki m soát s bi u hi n c a peptide PSM và PSM . Ngồi AIP, Agr c ng có th đ c kích ho t b i nhi u ch t đi u ch nh khác, ch ng h n nh SarA ho c SrrAB, và các y u t môi tr ng nh n ng đ glucose ho c pH [52]. S ho t hóa c a h th ng Agr t ng quan v i đi m cu i c a s t ng tr ng theo c p s nhân và b c vào giai đo n n đ nh c a s t ng tr ng, b ng vi c gi m đi u hòa c a các gen liên quan đ n protein b m t t bào thay vào đó là đi u ch nh các y u t đ c l c. AgrA c m ng RNAIII d n đ n b t đ u phiên mã nhi u lo i protein đ c l c [51, 52]. B n thân RNAIII c ng là 1 mRNA ch a gen hld mã hóa cho đ c l c deltatoxin (ho c delta-hemolysin). C ch chính mà RNAIII ki m soát s bi u hi n gen m c tiêu là b ng cách b t c p baz antisense v i các vùng không d ch mã 5 (5 UTRs), t o thành các m ch RNA đôi. Ngo i tr tr ng h p đ c t alpha là RNAIII ho t đ ng nh m t ch t ho t hóa sau phiên mã, RNAIII th ng ng n ch n quá trình d ch mã. B ng c ch này, RNAIII c ch vi c s n xu t m t lo t các protein ch y u là b m t, ch ng h n nh protein A và các protein khác. H n n a, RNAIII ng n ch n quá trình d ch mã c a protein c ch đ c t (Rot), thu c h đi u hòa phiên mã Sar. Rot liên k t v i vùng kh i đ ng c a nhi u exoprotein và đ c t , ng n ch n quá trình phiên mã c a chúng. Vi c c ch Rot d n đ n t ng c ng bi u hi n các đ c