Систе?ма токси?н-антитокси?н (англ. toxin-antitoxin system) — набор двух и более тесно связанных генов, которые в совокупности кодируют и белок-«яд», и соответствующее ему «противоядие». Когда такая система
Система токсин-антитоксин

Система токсин-антитоксин

Систе?ма токси?н-антитокси?н (англ.  toxin-antitoxin system ) — набор двух и более тесно связанных генов, которые в совокупности кодируют и белок-«яд», и соответствующее ему «противоядие». Когда такая система локализована на плазмиде (автономном генетическом элементе), то в результате деления исходной клетки, содержащей плазмиду, дочерняя клетка выживет только в том случае, если унаследует плазмиду. Если дочерняя клетка лишена плазмиды, то нестабильный антитоксин, унаследованный с цитоплазмой матери, разрушается, а стабильный токсичный белок убивает клетку; это явление получило название «постсегрегационное убийство» (англ.  post-segregational killing, PSK ) [2] [3] . Системы токсин-антитоксин широко распространены среди прокариот, и зачастую один прокариотический организм содержит множество копий таких систем [4] [5] .

Системы токсин-антитоксин обычно классифицируют по тому, как антитоксин нейтрализует токсин. В случае систем токсин-антитоксин I типа трансляция мРНК, кодирующей токсин, подавляется при связывании с ней малой некодирующей РНК, служащей антитоксином. В случае систем II типа белок-токсин ингибируется посттрансляционно путём связывания с другим белком — антитоксином. Известен один пример систем III типа, в которых белок-токсин непосредственно связывается с РНК-антитоксином [6] . Гены, кодирующие токсин-антитоксин, часто передаются от организма к организму путём горизонтального переноса генов [7] . Нередко они ассоциированы с патогенными бактериями и нередко локализуются на плазмидах, несущих гены вирулентности и устойчивости к антибиотикам [1] .

Существуют и хромосомные системы токсин-антитоксин, некоторые из них участвуют в таких клеточных процессах, как ответ на стресс, остановка клеточного цикла и программируемая клеточная смерть [1] [8] . С точки зрения эволюции системы токсин-антитоксин могут рассматриваться как эгоистичная ДНК [en] , то есть целью этих систем является увеличение собственной численности вне зависимости от того, принесут они организму-хозяину пользу или вред. Были предложены адаптивные теории, объясняющие эволюцию систем токсин-антитоксин; например, возможно, что хромосомные системы токсин-антитоксин появились для того, чтобы предотвращать наследование крупных делеций в хозяйском геноме [9] . Системы токсин-антитоксин нашли применение в биотехнологии, например, в методе поддержания плазмид в клеточных линиях. Они могут служить мишенями антибиотиков и использоваться как векторы для положительного отбора [10] .

Содержание

Эволюционные преимущества [ править ]

Плазмиды, содержащие системы токсин-антитоксин, рассматриваются как пример эгоистичной ДНК в рамках геноцентрического взгляда на эволюцию [en] (англ.  Gene-centered view of evolution ). Считается, что системы токсин-антитоксин могут только поддерживать собственную ДНК, даже в ущерб организму-хозяину [1] . Согласно другим теориям, эти системы повышают приспособленность несущих их плазмид по сравнению с обычными плазмидами [11] . В этом случае системы токсин-антитоксин помогают хозяйской ДНК, избавляя потомство клетки от других плазмид (система токсин-антитоксин, локализованная на плазмиде, приводит к гибели клеток, не унаследовавших при делении этой плазмиды, поэтому, если клетка погибает, то и содержащиеся в ней плазмиды элиминируются). Это представление подкрепляется данными компьютерного моделирования [12] . Впрочем, оно не объясняет присутствие систем токсин-антитоксин на хромосомах.

Существует ряд адаптивных теорий, объясняющих эволюционное преимущество хромосомных систем токсин-антитоксин перед естественным отбором. Простейшее объяснение существования таких систем на хромосомах заключается в том, что они предотвращают появление опасных крупных делеций в геноме клетки [9] . Токсин-антитоксиновый локус MazEF Escherichia coli и других бактерий индуцирует программируемую гибель клетки в ответ на длительное голодание, особенно на отсутствие аминокислот [15] . Содержимое погибшей клетки абсорбируется соседними клетками, то есть, возможно, предотвращает смерть близких родственников погибшей клетки и тем самым увеличивает совокупную приспособленность [en] погибшей клетки. Такой пример альтруизма сближает бактериальные колонии с многоклеточными организмами [12] .

Согласно другой теории, хромосомные системы токсин-антитоксин являются бактериостатическими [en] , но не бактерицидными [16] . Например, RelE глобально ингибирует трансляцию в условиях нехватки питательных веществ, и его экспрессия снижает риск голодания, уменьшая потребности клетки в питательных веществах [17] . Гомолог токсина mazF, mazF-mx, необходим для образования плодовых тел у Myxococcus xanthus [18] . Эти бактерии образуют густые скопления, и при недостатке питательных веществ группа из 50000 клеток собирается в плодовое тело [19] . Токсин maxF-mx является компонентом пути ответа на стресс, обусловленный недостатком питательных веществ, и даёт возможность некоторым клеткам плодового тела образовать миксоспоры. Было высказано предположение, что M. xanthus «поработил» систему токсин-антитоксин и взял антитоксин под собственный молекулярный контроль для регуляции своего жизненного цикла [18] .

Было высказано предположение, что хромосомные копии систем токсин-антитоксин могут обеспечивать противопривыкание [en] , то есть помогают исключить плазмиду из потомства клетки, не подвергая её воздействию токсина. Например, в геноме Erwinia chrysanthemi [en] закодирован антитоксин, который противодействует токсину, кодируемому F-плазмидой [20] .

Было предложено девять возможных функций систем токсин-антитоксин [21] :

1. Клеточный «мусор»: системы токсин-антитоксин были заимствованы от плазмид и оставлены в клетках из-за развившегося привыкания к их токсинам.


2. Стабилизация геномных паразитов (остатков от транспозонов и бактериофагов). Наличие систем токсин-антитоксин на этих элементах может приносить им выгоду, снижая возможность их делеций. Многие хромосомные системы токсин-антитоксин при ближайшем рассмотрении могут в действительности принадлежать встроенным в геном паразитическим элементам или их остаткам.


3. Эгоистичные аллели: в ходе рекомбинации аллели, не вызывающие привыкания, не могут заместить аллели, вызывающие привыкание, однако противоположная замена возможна.


4. Регуляция генов: некоторые токсины действуют как общие репрессоры экспрессии генов [22] , в то время как другие более специфичны [23] .


5. Контроль роста: как отмечалось, бактериостатические токсины не убивают клетку-хозяина, а ограничивают её рост [16] .


6. Устойчивые клетки: в некоторых популяциях бактерий имеется субпопуляция клеток, обладающая устойчивостью ко множеству антибиотиков, контролируемой системами токсин-антитоксин. Эти медленнорастущие выносливые клетки страхуют популяцию от полного вымирания [24] .


7. Программируемая гибель клетки и выживание её близких родственников, как в описанном выше примере альтруизма, обусловленного MazEF (см. выше).


8. Различный уровень устойчивости клеток популяции к стрессовым условиям, обусловливающий программируемую гибель некоторых клеток, которая предотвращает вымирание всей популяции.


9. Противодействие бактериофагам: когда бактериофаг нарушает транскрипцию и трансляцию клеточных белков, активация систем токсин-антитоксин ограничивает репликацию фага [25][26] .

Впрочем, эксперимент, в котором из клеток штамма E. coli были удалены пять систем токсин-антитоксин, не дал никаких доказательств в пользу существования преимуществ, которые системы токсин-антитоксин дают клетке-хозяину. Эти результаты заставляют усомниться в гипотезах контроля роста и программируемой клеточной гибели [27] .

Классификация [ править ]

Тип I [ править ]

Действие систем токсин-антитоксин I типа обусловлено комплементарным спариванием оснований РНК-антитоксина с мРНК, кодирующей белок-токсин. Трансляция этой мРНК подавляется или из-за разрушения РНКазой III, или из-за уменьшения доступности последовательности Шайна — Дальгарно или сайта связывания рибосомы [en] . В этих случаях токсин и антитоксин нередко кодируются противоположными цепями ДНК. Перекрывающийся участок этих двух генов (обычно его длина составляет 19—23 нуклеотида) обусловливает их комплементарное спаривание [28] .

Токсины в системах I типа представлены небольшими гидрофобными белками, токсичность которых обусловлена их способностью разрушать мембраны клетки [1] . Лишь для немногих токсинов систем I типа были определены внутриклеточные мишени, возможно, из-за сложностей, связанных с изучением белков, токсичных для содержащих их клеток [8] .

Иногда системы I типа включают и третий компонент. В случае хорошо изученной системы hok/sok, кроме токсина hok и антитоксина sok, имеется третий ген, названный mok. Он практически целиком перекрывается с геном, кодирующим токсин, и трансляция токсина зависит от трансляции этого третьего компонента [3] . По этой причине представление о связывании токсина с антитоксином в некоторых случаях является упрощением, и антитоксин на самом деле связывается с третьей РНК, которая уже потом действует на трансляцию токсина [28] .

Антитоксин

ЗАКА3АTЬ МOЖНО НА oФИЦИАЛЬНОМ САЙТЕ CАЙТЕ