Экспрессия гена в кишечной палочке

Все клетки любого организма, какие бы функции они ни выполняли, имеют полный набор свойственных данному организму генов. Вместе с тем хорошо известно, что у любого организма клетки разных тканей и органов отличаются поразличным признакам и набору имеющихся в них белков. Даже в одной клетке на разных стадиях ее развития синтезируются и функционируют разные белки. Следовательно, располагая полной генетической информацией, каждая клетка на определенном этапе развития использует лишь ту ее часть, которая необходима в настоящий момент, транскрибируются только те гены, продукты которых нужны клетке в данный момент для осуществления ее функций. Следовательно, клетка должна располагать механизмами, определяющими, какие гены и в какой последовательности должны экспрессироваться (“выражаться”, то есть давать продукт — РНК или белок). Наиболее полно регуляция генной активности изучена на примерах адаптивного синтеза ферментов у прокариот.

В зависимости от условий количество определенного фермента в бактериальной клетке может существенно изменяться. Некоторые ферменты, необходимые бактерии для усвоения определенных питательных веществ, активно синтезируются в клетке только тогда, когда эти вещества присутствуют в культурной среде, и синтез их прекращается, если каким-либо образом они удаляются из среды. Такой тип регуляции синтеза фермента называется индукцией, а вещество, включающее экспрессию гена — индуктором.

Активация и репрессия оперонов у бактерий

лактозный оперон

Один из наиболее наглядных примеров данного типа регуляции — лактозный оперон кишечной палочки — группа генов, контролирующая синтез ферментов, осуществляющих катаболизм (расщепление) молочного сахара — лактозы. Буквально через несколько минут после добавления в питательную среду для кишечной палочки лактозы бактерии начинают вырабатывать три фермента: галактозидпермеазу, бета-галактозидазу и галактозидтрансацетилазу. Как только ресурсы лактозы в среде исчерпываются, синтез ферментов сразу же прекращается.

Приведенный пример станет более понятным при рассмотрении схемы работы лактозного оперона, изучение которого позволило французским ученым Ф. Жакобу и Ж. Моно разработать собственно концепцию оперона и выяснить основные принципы регуляции транскрипции у прокариотов.
Оперон — это группа генов прокариот, находящихся под общим промотором. Все эти гены транскрибируются на одну общую молекулу мРНК. Такая мРНК, содержащая информацию о нескольких белках, называется полицистронной. Участок ДНК или РНК, содержащий информацию об одном белке, называется цистроном.

Экспрессия гена в кишечной палочке

Лактозный оперон начинается с регуляторного участка, предназначенного для присоединения белка-активатора, в свою очередь необходимого для присоединения к следующему за этим участком промотору (П) РНК-полимеразы. Последовательность нуклеотидов промотора узнаётся РНК-полимеразой.

С промотором перекрывается следующий участок — оператор (О). С ним может связываться регуляторный белок-репрессор. Репрессор блокирует промотор и тем самым предотвращает транскрипцию гена.

Экспрессия гена в кишечной палочке

За оператором следуют структурные гены для трех упомянутых ранее ферментов. Заканчивается оперон терминатором, прекращающим продвижение РНК-полимеразы и транскрипцию оперона.

Регуляторный белок-репрессор в незначительном количестве синтезируется в клетке постоянно, так что в цитоплазме одновременно присутствует не более 10 его молекул. Этот белок обладает сродством к последовательности нуклеотидов в области оператора и сродством к лактозе.

В отсутствие лактозы белок-репрессор связывается с операторным участком и препятствует продвижению по ДНК РНК-полимеразы: не синтезируется мРНК, не синтезируются и ферменты. После добавления в среду лактозы белок-репрессор связывается с нею быстрее, чем с операторным участком. В результате последний остается свободным и не препятствует продвижению РНК-полимеразы. Идет транскрипция и трансляция. Синтезирующиеся ферменты осуществляют транспорт в клетку и расщепление лактозы. После того как вся лактоза будет израсходована, нечем станет связывать белок-реп рессор и он снова свяжется с оператором, прекратив транскрипцию оперона. Таким образом, индукция оперона вызывается тем, что регуляторный белок не прикрепляется к оператору. Такой тип индукции называется негативным.

Параллельно наблюдается и другой тип регуляции — позитивная регуляция. При глюкозном голодании в клетке из АТФ образуется сигнальное вещество цАМФ, которое связывается с белком-активатором (САР), после чего последний приобретает способность связывать ДНК в промоторной области и усиливать транскрипцию лактозного оперона. Таким образом, когда не хватает глюкозы, стимулируется всасывание и катаболизм лактозы. При одновременном присутствии глюкозы и лактозы последняя не метаболизируется, пока существенно не упадёт концентрация глюкозы.

триптофановый оперон

В случае индукции лактозного оперона аллолактоза (индуктор) препятствует присоединению белка-репрессора к оператору, то возможен и другой вариант регуляции, когда, наоборот, индуктор придает регуляторному белку способность присоединяться к оператору. Если в первом случае соединение индуктора с белком-регулятором разрешало транскрипцию, то во втором оно запрещает ее.

Примером такой регуляции может служить хорошо изученный триптофановый оперон кишечной палочки. В его состав входят пять структурных генов, обеспечивающих синтез аминокислоты триптофана, оператор и промотор. Репрессор синтезируется вне триптофанового оперона. Пока клетка успевает расходовать весь синтезирующийся триптофан, оперон работает, синтез триптофана продолжается. Если же в клетке появляется избыток триптофана, он соединяется с репрессором и изменяет его таким образом, что этот белок связывается с оператором. Комплекс репрессора с триптофаном взаимодействует с оператором и препятствует транскрипции структурных генов, вследствие чего синтез триптофана прекращается. В отсутствие триптофана репрессор лишается способности связываться с оператором, и происходит транскрипция структурных генов оперона и, в итоге, синтез триптофана в клетке.

Экспрессия гена в кишечной палочке

Другой уровень регуляции триптофанового оперона включает аттенуацию — тонкую подстройку количества продукта в зависимости от концентрации присутствующего триптофана.

аттенуация триптофанового оперона

Аттенуация основана на формировании мРНК альтернативных вторичных структур, в зависимости от того, в течение какого времени определенные ее участки связаны с рибосомой. Аттенуация возможна благодаря сопряжению транскрипции и трансляции у прокариот, то есть тому факту, что трансляция может происходить одновременно с транскрипцией.
Регуляция в данном случае осуществляется за счет того, что в начале первого гена оперона закодировано несколько остатков триптофана; в присутствии триптофана трансляция этого участка идет с нормальной скоростью, и перед рибосомой образуется терминирующая шпилька, которая влияет на РНК-полимеразу, в результате чего транскрипция останавливается.
При низкой концентрации триптофана рибосома “застопоривается” на триптофановых кодонах — их трансляция занимает больше времени. В результате РНК формирует альтернативную вторичную структуру, которая не приводит к терминации транскрипции, рибосома расплетает ее, и экспрессия оперона продолжается.

Экспрессия гена в кишечной палочке

регуляция генов бактериофагов

Описанные типы регуляций характеризуют механизмы регуляции отдельных оперонов, практически не касаясь регуляции экспрессии генома в целом, в то время как совершенно очевидно, что регуляция разных оперонов должна носить согласованный характер. Такой согласованный характер работы разных оперонов и генов получил у вирусов и фагов название каскадной регуляции. Согласно принципу каскадной регуляции сначала происходит транскрипция «предранних», затем «ранних» и наконец «поздних» генов в зависимости от того, какие белки требуются на разных стадиях вирусной (фаговой) инфекции.

Конечно, принцип каскадной регуляции у фагов относится к наиболее простым. У более сложно организованных организмов для осуществления большого количества функций, происходящих одновременно или с определенной последовательностью, необходима согласованная работа многих генов и оперонов. Особенно это касается эукариотов, отличающихся не только более сложной организацией генома, но и многими другими особенностями механизмов регуляции генной активности.

регуляция генов эукариот

По принципам регуляции гены эукариотов можно условно разделить на три группы: 1) функционирующие во всех клетках организма; 2) функционирующие только в тканях одного типа; 3) обеспечивающие выполнение специализированными клетками конкретных функций.

Механизмы регуляции экспрессии генов у эукариот:

У эукариот известна регуляция генной активности на уровне структуры хроматина. В регуляции генов эукариот важную роль играют гистоны — основные белки, входящие в состав хромосом. Одни модификации гистонов характерны для активно работающих генов, другие — для молчащих. Существуют также вариантные гистоны, закодированные особыми генами. Они могут заменять “обычные” гистоны в определенных хроматиновых контекстах, влияя на регуляцию генов.
На электронных микрофотографиях в ядрах неделящихся клеток эукариот видны более плотно упакованные участки — гетерохроматин — и более рыхлые участки, называемые эухроматином. Гетерохроматин содержит центромерные и теломерные участки хромосом (облигатный гетерохроматин) и молчащие гены (факультативный гетерохроматин), а эухроматин — активно работающие гены.
Также распространенным типом регуляции экспрессии генов у эукариот является метилирование ДНК, в основном по 5 положению цитозина. Метилированная ДНК, как правило, присутствует в выключенных генах. Этим, в частности, объясняется трудность организменного клонирования, связанная с тем, что в соматических клетках (клетках тела) многие гены метилированы, поэтому когда ядром соматической клетки замещают ядро зиготы, экспрессия этих генов зачастую не активируется, т.к. метилирование генов не снимается. Надо отметить, что регуляторное метилирование распространено не у всех эукариот, например, оно не характерно для генома мушки дрозофилы.
метилирование и горячие точки мутирования
Поскольку метилированный цитозин при спонтанном дезаминировании, которое постоянно происходит в клетках, превращается в тимин, метилированные участки становятся горячими точками мутирования (Г-Ц-пара может превратиться в А-Т-пару).
Еще одним существенным отличием транскрипции у эукариотов является то, что многие мРНК длительное время сохраняются в клетке в виде особых частиц— информосом, в то время как мРНК прокариотов практически еще в процессе транскрипции поступают в рибосомы, транслируются, после чего быстро разрушаются. У эукариот развита регуляция экспрессии на уровне стабильности (времени жизни), трансляционной активности, локализации мРНК.
У эукариот известны и другие типы регуляции активности генов, такие, как эффект положения или дозовая компенсация. В первом случае речь идет об изменении генной активности в зависимости от конкретного окружения: перемещение гена из одного места хромосомы в другое может приводить к изменению активности как этого гена, так и близлежащих. Во втором случае нехватка одной дозы какого-либо гена (в первую очередь это относится к генам, локализованным в половых хромосомах гетерогаметного пола, когда одна из гомологичных половых хромосом либо генетически инертна, либо полностью отсутствует) фенотипически не проявляется за счет компенсаторного увеличения активности оставшегося гена. В целом же регуляция активности генов у эукариот в настоящее время активно изучается.
Вместе с тем имеется много данных, указывающие, что транскрипция определенных генов эукариот также может осуществляться скоординированно. Энхансеры — активирующие элементы в ДНК эукариот — могут действовать на огромных расстояниях, в десятки и сотни тысяч пар нуклеотидов. Предполагается, что это происходит путем образования хроматиновых петелль. Энхансер может действовать на целую группу генов; распространение действия энхансеров блокируется элементами-инсуляторами. Возможно, один энхансер активирует один петлевой домен ДНК — участок ДНК, формирующий одну хромомерную петлю и содержащий совместно регулирующиеся гены. Однако далеко не всегда совместно регулирующиеся гены у эукариот расположены рядом; трудно доказать и гипотезу петлевых доменов в связи со сложностями их картирования.

А — активация генов энхансерами внутри одного петлевого домена, В — активация генов в разных доменах, разграниченных инсулятором.

Источник

Escherichia coli – кишечная палочка – в основном безвредная бактерия, являющаяся частью физиологической кишечной флоры людей и животных. К сожалению, некоторые виды бактерий способны вызывать заболевания.

Обычно это желудочно-кишечные инфекции, проявляющиеся как диарея, инфекции мочевыводящих путей или менингит. При благоприятных условиях кишечная палочка может вызывать инфекцию других органов, в том числе желчных протоков или дыхательной системы.

Это также наиболее распространенный этиологический фактор при внутрибольничных инфекциях. Escherichia coli часто поражает людей с тяжелыми сопутствующими заболеваниями, в том числе с сахарным диабетом, алкоголизмом, хронической обструктивной болезнью легких.

Кишечная палочка также является маркером загрязнения питьевой воды путем выявления так называемых титров Escherichia coli. Штаммы, вызывающие диарею, передаются через загрязненную воду, пищу или через прямой контакт с инфицированными людьми или животными. Escherichia coli также является наиболее распространенным этиологическим фактором диареи путешественников.

Escherichia coli

Патогенные кишечные палочки

Среди штаммов Escherichia coli были выделены следующие: патогенные кишечные палочки, которые могут вызывать тяжелые инфекции:

Entero Escherichia coli (Enterohemorrhagic E. coli – EHEC). Иначе: Escherichia coli, продуцирующая токсин Shiga (анг. Shiga toxin, STEC ) или Escherichia coli, продуцирующая werocytotoksynę (анг. Verocytotoxin, VTEC ). Наиболее известная и самая распространенная бактерия в этой группе – Escherichia coli O157: H7. Энтерогеморрагические штаммы кишечной палочки встречаются в пищеварительном тракте жвачных животных (КРС, козы, овцы, олени, лоси), свиней и птиц. Все они могут распространять бактерии. Наиболее распространенные источники заражения людей – крупный рогатый скот, употребление загрязненной воды, сырое или недоваренное мясо, непастеризованное молоко или молочные продукты, прямой контакт с животными или фекалиями больных людей, например, при смене подгузников.
Энтеротоксигенная кишечная палочка (Enterotoxigenic Escherichia coli – ETEC). Является основной причиной «диареи путешественников». Вырабатывает энтеротоксин, поражающий клетки слизистой оболочки тонкого кишечника, вызывая выделение большого количества воды в просвет кишечника.
Энтеропатогенная кишечная палочка (Enteropathogenic Escherichia coli – EPEC) Распространенный этиологический агент диареи у детей.
Enteroagregacyjna Escherichia coli (Enteroaggregative Escherichia coli – EAggEC). Вызывает хроническую диарею у детей в развивающихся странах. Это также этиологический фактор в 30% случаев «диареи путешественников». В 2011 году мутант этого штамма, способный продуцировать токсин шига – O104: H4, вызвал эпидемию в Германии. У 22% из зараженных развился гемолитический уремический синдром. Источником бактерий оказались семена пажитника, импортированные из Египта.
Enteroinwazyjna Escherichia coli (Enteroinvasive Escherichia coli – EIEC). Вызывает бактериальную дизентерию.
Adherencyjna Escherichia coli (Диффузно адгезивная Escherichia coli – DAEC). Вызывает хроническую диарею у детей.
Штаммы Escherichia coli, содержащие антиген K1. Вызывают менингит у новорожденных. Инфекция у взрослых обычно является осложнением нейрохирургических операций или повреждений центральной нервной системы.
Уропатогенная кишечная палочка. Этиологический фактор инфекции мочевыводящих путей, пиелонефрита, острого простатита, а также инфекции крови в виде уросепсиса. Бактерии, принадлежащие к этому штамму, имеют особенность, позволяяющую им соединяться с клетками, выстилающими мочевыводящие пути. Инфекция мочевого пузыря особенно распространена у взрослых женщин. Также увеличивает риск инфекции наличие гипертрофии простаты или катетера мочевого пузыря.

Как часто возникают инфекции толстой кишки

Данные по странам различаются, но тенденция к увеличению таких инфекций сохраняется.

Например, по данным Национального института гигиены, в Польше ежегодно насчитывается около 400-500 диарей-формирующих инфекций Escherichia coli, несколько случаев энтерогоррагических инфекций Escherichia coli и несколько случаев гемолитического уремического синдрома А в Соединенных Штатах ежегодно диагностируется более 260000 случаев энтерогеморрагической инфекции кишечной палочки, включая 36% штамма O157: H7, который вызывает серьезные осложнения.

В каждой европейской стране ежегодно обнаруживается несколько десятков случаев менингита и сепсиса, вызванных штаммом K1 Escherichia coli. По оценкам специалистов, около 50% женщин испытывают по крайней мере один эпизод инфекции мочевыводящих путей, вызванной уропатогенной кишечной палочкой. Это также ведущий этиологический фактор при внутрибольничных инфекциях.

Частота возникновения других инфекций, вызванных кишечной палочкой, неизвестна, поскольку отдельная статистика по ним практически не ведется.

Как проявляются инфекции, связанные с кишечной палочкой

Симптомы заражения энтерогеморрагической кишечной палочкой:

Инкубационный период заболевания составляет от 1 до 10 дней, обычно 3-4 дня. Первым симптомом является диарея, часто с примесью свежей крови, спазмы в животе, рвота, умеренная температура. Симптомы длятся в среднем 5-7 дней.
У 5-10% пациентов, обычно через 7 дней, когда проходит диарея, развивается опасное для жизни осложнение, т.е. гемолитический уремический синдром, включающий повреждение почек, проявляющийся как уменьшение или прекращение мочеиспускания и разрушение эритроцитов, приводящее к анемии, проявляющаяся бледной кожей и общей слабостью.

Диарея

Симптомы заражения Escherichia coli, продуцирующей токсин шига – штамм, выделенный во время эпидемии в Германии в 2011 году, сходные с симптомами, связанными с энтерогеморрагической инфекцией. Однако чаще наблюдается развитие гемолитического уремического синдрома, который дополнительно сопровождается неврологическими симптомами, которые не обнаруживаются при энтерогеморрагической инфекции.

Симптомы кишечной coli- индуцированной дизентерии, вызванной энтеро-инвазивной кишечной палочкой:

кровавый понос;
лихорадка;
спазмы в животе;
боль и давление на кишечник при дефекации.

Симптомы диареи путешественников, обычно вызываемой энтеротоксиногенной или энтероагрегационной кишечной палочкой:

инкубационный период составляет 1-2 дня;
стул водянистый, обычно не содержит патологических примесей, таких как кровь или слизь;
сопровождается спастическими болями в животе;
признаки обезвоживания: сухость слизистых оболочек, общая слабость, усиление жажды.

Усиление жажды

Симптомы обычно длятся 3-4 дня и проходят самостоятельно.

Симптомы детской диареи, вызванной EAggEC, EAEC, EPEC:

стул водянистый, без патологических примесей, таких как кровь или слизь;
диарея длится до 2 недель и более;
иногда лихорадка.

Инфекция мочевых путей уропатогенными штаммами кишечной палочки вызывает так называемые дизурические симптомы:

учащенное мочеиспускание;
срочность мочеиспускания;
уретральное жжение.

В запущенных случаях нелеченных инфекций может развиться пиелонефрит, что проявляется, среди прочего, высокой температурой, ознобом, болью в пояснице, тошнотой или рвотой.

Острый простатит также возникает с высокой температурой, ознобом, болью в нижней части живота, а также с болезненностью, отеком и повышением температуры в области простаты.

Симптомы физиологической инфекции Escherichia coli:

Пневмония. Обычно поражает нижние доли и может быть осложнена эмпиемой. Симптомы пневмонии: повышение температуры, одышка, учащенное дыхание. При физикальном обследовании выявляются аускультация и приглушенный звук во время постукивания во время аускультации легких.
Перитонит. Типичное осложнение, которое возникает после разрыва или дивертикула придатка – перитонит. Основные симптомы: лихорадка, сильные боли в животе, а также остановка газов и стула. Физикальное обследование показывает перитонеальные симптомы, в том числе симптом Блюмберга, больной лежит характерным образом – с согнутыми ногами, мышцы живота очень напряжены.
Заболевания желчного пузыря. Симптомы острого холангита и холецистита: лихорадка с ознобом, боль в животе в правом подреберье и желтуха – симптомы, которые образуют так называемые Триаду Шарко.

Штаммы Escherichia coli, содержащие антиген K1, могут проявляться менингитом у новорожденных, в том числе лихорадкой, желтухой, снижением аппетита, апноэ, рвотой, сонливостью, судорогами. У детей старше 4 месяцев также может возникнуть ригидность затылочных мышц, то есть невозможность пассивного изгиба головы к груди.

Если вы заметили симптомы, описанные выше, обратитесь к врачу.

Как врач определяет диагноз?

Диагностика инфекции Escherichia coli возможна с помощью посева микробиологической культуры или прямого исследования биологического материала, например, фекалий, мочи, крови, мокроты, спинномозговой жидкости, аспирата. Можно идентифицировать штамм, который вызывает инфекцию, а также обнаружить токсины шига.

В зависимости от штамма и места заражения дополнительные анализы показывают наличие лейкоцитов в кале, моче, спинномозговой жидкости, высокие значения воспалительных параметров: С-реактивный белок, прокальцитонин, фибриноген. Для диагностики пневмонии назначается рентген легких, а компьютерная томография для внутрибрюшных инфекций.

Рентген легких

Методы лечения инфекционных заболеваний, связанных с кишечной палочкой

Основой для лечения диареи, вызванной инфекцией кишечной палочки – гидратация организма.

Применение антибиотиков, как правило, не является необходимым. Более того, антибиотики противопоказаны при лечении штаммов, продуцирующих токсины шига, в связи с повышенным риском развития гемолитического уремического синдрома. Также увеличивают этот риск противодиарейные препараты, блокирующие перистальтику кишечника, такие как лоперамид.

Инфекции, вызванные другими штаммами кишечной палочки, требуют антибиотикотерапии. Иногда необходимо хирургическое лечение, дренирование абсцесса или искусственная вентиляция легких с помощью респиратора.

Искусственная вентиляция легких с помощью респиратора

Можно ли полностью вылечить инфекции, вызванные кишечной палочкой?

Прогноз полного выздоровления зависит от вовлеченных органов, серьезности инфекции и времени, когда было начато лечение.

В некоторых случаях кишечная палочка выделяется из фекалий здоровых людей даже через несколько недель после исчезновения симптомов. У детей период носительства обычно длится дольше, чем у взрослых.

Гемолитический уремический синдром, осложняющий инфицирование штаммами, продуцирующими токсин шига, связан со смертностью в 2-3% случаев, в то время как неонатальная септицемия, вызванная штаммом Escherichia coli K1, связана с 8%-ным риском смерти.

Что делать после прекращения лечения кишечной палочки?

Пациентам с менингитом может потребоваться реабилитация и последующее наблюдение для выявления неврологических дефектов. Лечение после других инфекций рассматривается индивидуально.

Что делать, чтобы избежать инфекций кишечной палочки?

Чтобы избежать энтерогеморрагической инфекции кишечной палочки, тщательно мойте руки после посещения туалета, смены подгузников, перед приготовлением пищи, после контакта с животными.

Готовьте мясо таким образом, чтобы оно было полностью проварено;
Избегайте сырого непастеризованного молока и молочных продуктов;
Также не употребляйте непастеризованные соки;
Избегайте глотания воды при плавании в озерах, прудах, бассейнах.

Рекомендации по профилактике «диареи путешественников» включают:

Соблюдение гигиены, в том числе частое мытье рук с мылом или использование спиртовых средств, особенно перед едой;
Питье только бутилированной, кипяченой или химически очищенной воды, без использования водопроводной воды и льда, приготовленного из воды неизвестного происхождения;
Использование бутилированной, кипяченой или химически очищенной воды для мытья посуды, полоскания рта, мытья фруктов и овощей, приготовления еды и кубиков льда;
Употребление продуктов в фирменной упаковке или свежеприготовленных в горячем виде.
Не есть сырое мясо и морепродукты, а также неочищенные фрукты и овощи.

Источник