Dołącz do czytelników
Brak wyników

Mikrobiologia

14 stycznia 2020

NR 37 (Styczeń 2020)

Deinococcus radiodurans – mały-wielki ocalony

0 10

Komórki wszystkich żywych organizmów nieustannie narażone są na działanie szkodliwych czynników zewnętrznych. W toku ewolucji musiały w związku z tym nabyć mechanizmy obronne, które pozwalałyby na zwalczanie skutków działania stresu, zarówno abiotycznego, czyli związanego z działaniem czynników, takich jak wysoka czy niska temperatura, wysuszanie czy zmiany ciśnienia osmotycznego, oraz biotycznych. Do szkodliwych faktorów,  z którymi muszą mierzyć się żywe organizmy, zaliczamy także te, które wywołują zmiany w DNA. Wśród nich wymienić można promieniowanie jonizujące, promieniowanie UV czy związki chemiczne. Działanie tych czynników prowadzi do licznych zmian w ­­­­­­­­­­­­­­­­organizmie, może działać mutagennie, teratogennie, a także kancerogennie, czyli prowadzić do rozwoju chorób nowotworowych. Choroby te zaliczane do chorób cywilizacyjnych obecnie są drugą najczęstszą przyczyną śmierci na świecie, zaraz po chorobach układu krążenia. Dlatego też niezwykle ciekawym zagadnieniem dla naukowców są mechanizmy i szlaki, które mogą chronić człowieka przed działaniem tych czynników lub pomagają w jak najbardziej efektywny sposób usuwać powstałe uszkodzenia. Doskonałym modelem do badań nad skutkami działania promieniowania jonizującego wydają się być mikroorganizmy. Ich największe zalety to łatwość hodowli, szybkość wzrostu i rozmnażania, a ponadto łatwość wprowadzania modyfikacji genetycznych, co pozwala na testowanie postawionych hipotez badawczych. 
Promieniowanie jonizujące generuje różnego rodzaju uszkodzenia DNA. Skutki działania promieniowania mogą być związane z modyfikacją zasad azotowych, błędnym podstawieniem zasad w DNA, pojedynczymi i podwójnymi pęknięciami DNA, depurynacją DNA oraz tworzeniem wiązań krzyżowych w DNA, a także między DNA i białkami. Wrażliwość organizmu na radiację jest ściśle związana z różnymi czynnikami, takimi jak rodzaj działającego promieniowania oraz jego natężenia, czasu ekspozycji i ogólnego stanu organizmu.
Deinococcus radiodurans to bakterie Gram (+), które po raz pierwszy zostały wyizolowane w 1956 r. przez Andersona z puszek z mięsem mielonym wystawionych na działanie promieniowania jonizującego. Jest to bardzo interesujący organizm do badań mutacji i procesów naprawczych. To właśnie jego ekstremalna wręcz odporność na promieniowanie, wysychanie i utlenianie sprawia, że naukowcy postulują, że posiada on wysoce wyrafinowane systemy zapobiegania i naprawy powstałych szkód. Jednakże, co bardzo zaskakujące, jeden z najbardziej wydajnych systemów naprawy DNA – MMR (ang. Mis-Match Repair; system naprawy niesparowanych nukleotydów) jest mniej efektywny u Deinococcus radiodurans niż u innych organizmów. Przeprowadzono nawet ciekawy eksperyment, w którym usunięto enzym MutL, który jest kluczowym enzymem dla systemu MMR. Zabieg ten spowodował jedynie 5-krotne podwyższenie wskaźnika mutacji u D. radiodurans i aż 138-krotny wzrost tego wskaźnika u E. coli. Sekwencjonowanie genomu D. radiodurans dostarczyło wielu użytecznych informacji odnośnie biologii, fizjologii, biologicznej różnorodności i potencjalnego biotechnologicznego wykorzystania tych bakterii. Szczep R1 ma 3195 genów o wysokiej zawartości par GC. Badania sugerują, że 10–15% genomu pochodzi z horyzontalnego transferu genów i jest ulokowane w megaplazmidzie. Ponadto analizy bioinformatyczne dostarczyły informacji na temat tego, że genom tej bakterii zawiera wiele ruchomych elementów genetycznych, co również może przyczyniać się do niezwykłej tolerancji szkodliwych czynników. 

Źródło: Ott et. al, 2017; Proteometabolomic response of Deinococcus radiodurans exposed to UVC and vacuum conditions: Initial studies prior to the Tanpopo space mission; PLOS ONE


Deinococcus radiodurans wykazuje nadzwyczajną odporność na promieniowanie jonizujące i konsekwencje jego działania na organizm. Może przetrwać do 5000 Gy bez mierzalnej utraty żywotności. Udokumentowano przypadki, kiedy bakterie te przetrwały ekspozycję na promieniowanie β 15 kGy i ciągłe napromieniowywanie promieniowaniem γ 60 Gy/godzinę, podczas gdy człowieka zabija tylko 5 Gy promieniowania γ, a E. coli wytrzyma tylko 200–800 Gy tego promieniowania bez znaczącego spadku żywotności. Jak dotąd nie ma jednak naukowych dowodów wskazujących na to, że białka zaangażowane w naprawę podwójnych pęknięć występują na wyższym poziomie u D. radiodurans niż u E. coli. Brakuje również dowodów na to, że białka te miałyby mieć wyższą specyficzną aktywność u deinokoków. Ponadto bakterie te są niezwykle odporne także na inne czynniki uszkadzające DNA i białka, takie jak promieniowanie UV, chemiczne związki utleniające i wysuszanie. W związku z tym, że nie ma naturalnie znanych środowisk, w których ekspozycja na promieniowanie przekracza 400 mGy rocznie bardzo mało prawdopodobnym jest, że nabyły mechanizmy chroniące przed promieniowaniem w trakcie ewolucji. 
Naukowcy wysnuli kilka hipotez wyjaśniających tę niezwykłą cechę tych bakterii. Po pierwsze radiooporność może być pozostałością po przodkach i została zachowana jako cecha potrzebna, przydatna. Po drugie bakterie te mogły nabyć ją na drodze horyzontalnego transferu genów lub ewolucji zbieżnej. Wydaje się, że ta niezwykła odporność ma związek z mechanizmami zapewniającymi ochronę przed degradacją białek i uszkodzeniami DNA oraz zapewniającymi efektywną naprawę uszkodzeń powstałych na skutek działania promieniowania. 
Promieniowanie jonizujące, do którego zaliczamy również promieniowanie γ prowadzi, jak już zostało wspomniane, do występowania podwójnych pęknięć DNA (ang. DSBs, Double-Strand Breaks), które są śmiertelne dla niemal wszystkich organizmów. Deinococcus radiodurans jest jednak tak silną i odporną bakterią, że jest w stanie przeżyć nawet 2000 DSBs spowodowanych promieniowaniem jonizującym. Genom ulega ponownemu złożeniu jeszcze przed rozpoczęciem następnego cyklu podziałowego. Podwójne pęknięcia DNA spowodowane działaniem promieniowania jonizującego są największym zagrożeniem dla integralności genomu nie tylko u D. radiodurans, ale także u innych organizmów. Ten rodzaj uszkodzeń DNA może być także spowodowany wysuszaniem. 
Procaryota naprawiają podwójne pęknięcia DNA za pomocą homologicznej rekombinacji, ale znane są też białka zaangażowane w ­­­­­­­­­­­­­­­­niehomologiczne łączenie końców, np. dodatkowe ligazy DNA czy homologi białka Ku. W genomie Deinococcus radiodurans homologów białka Ku nie odnaleziono. Ligazy DNA odgrywają zasadniczą rolę w replikacji, rekombinacji i naprawie, ponieważ mają zdolność do łączenia uszkodzonych nici DNA przez katalizowanie wiązania fosfodiestrowego między końcem hydroksylowym 3’ jednej nici i końcem fosforanowym 5’ drugiej nici. Genom D. radiodurans zawiera gen DR2069 kodujący zależną od NAD+ ligazę DNA LigA, wykazującą silne powinowactwo do jonów Mn2+ jako kofaktora, oraz gen DRB0100 kodujący inny homolog ligaz zależnych od ATP. Funkcja genu DBR0100 wciąż pozostaje jednak niejasna i wymaga dalszych badań. Wysoki wewnątrzkomórkowy poziom jonów manganu umożliwia szybką i efektywną naprawę uszkodzeń DNA po napromieniowaniu. Ustalono, że Deinococcus radiodurans ma prawie kompletny zestaw szlaków naprawy DNA, tj. naprawa błędnie sparowanych zasad, naprawa przez wycięcie zasad (ang. BER Base-Excision Repair), naprawa przez wycięcie nukleotydów (ang. NER Nucleotide-Excision Repair) czy wspomniane już wcześniej rekombinacja homologiczna (ang. HR Homologous Recombination) i naprawa przez łączenie niehomologicznych końców (ang. NHEJ Non-Homologous End-Joining). Dodatkowo bakterie te mają także cały zestaw mechanizmów chroniących białka przed oksydacją. Kolejnym atutem w walce z uszkodzeniami DNA jest bardzo skondensowana struktura nukleoidowa, która również ułatwia działanie mechanizmów naprawczych. Analizy proteomiczne i transkryptomiczne pokazały także, że tolerancja D. radiodurans na promieniowanie jonizujące wynika też z dużej liczby genów i białek. 
Białko PprI kodowane przez gen DR0167 jako globalny regulator znane jest ze swojej zdolności do regulacji licznych szlaków, takich jak odpowiedź na uszkodzenia DNA, stres oksydacyjny, metabolizm energetyczny. Białko to jest kolejnym potencjalnym strażnikiem genomu wpływającym pozytywnie na odpowiedź na szkodliwe czynniki środowiskowe. Prowadzi do ekspresji wielu genów, takich jak recA i pprA, biorących udział w obronie przed skutkami działania promieniowania gamma.  
W genomie D. radiodurans odkryto także bakteryjny homolog białka szoku zimna (ang. CSP cold-shock protein) PprM, który jest zaangażowany w odporność na promieniowanie i stres oksydacyjny. Białko PprM jest wysoce konserwatywne z domeną wiążącą RNA u Deinococcus. To właśnie ta domena wydaje się kluczowa dla odpowiedzi i tolerancji na skrajnie szkodliwy stres środowiskowy wywołany przez zimno, nadtlenek wodoru, mitomycynę C czy promieniowanie UV. Jest to białko pełniące rolę modulatora zależnej od PprF odpowiedzi na uszkodzenia DNA spowodowane stresem napromieniowania. Jest także zaangażowane w tłumienie produkcji PprA oraz okazało się niezbędne do produkcji KatE1. Ciekawostką może być to, iż mimo że analiza sekwencji nukleotydów PprM wskazała na wysoką identyczność z bakteryjnym białkiem szoku zimna, to PprM jest raczej białkiem odpowiedzi na stres ciepła (ang. HSP heat-shock protein). Białko to potencjalnie ma wiele ważnych funkcji, jednakże wciąż wymaga uwagi i dalszych badań. 


Zahradka i wpółpracownicy odkryli i opisali mechanizm SDSA, czyli łączenia nici zależnego od syntezy DNA (ang. synthesis-dependent strand-annealing) dla większości uszkod...

Pozostałe 70% treści dostępne jest tylko dla Prenumeratorów.

Co zyskasz, kupując prenumeratę?
  • 6 wydań czasopisma "Biologia w Szkole"
  • Dostęp do wszystkich archiwalnych artykułów w wersji online
  • ...i wiele więcej!
Sprawdź

Przypisy