Classificació dels diferents sistemes de quorum sensing en funció de les

En les darreres dècades s’han anat descobrint altres sistemes de comunicació bacteriana que utilitzen mecanismes de comunicació cèl·lula-cèl·lula diferents als que s’han explicat anteriorment. Existeixen diversos sistemes de QS perquè cada sistema s’ha adaptat i optimitzat en funció del nínxol ecològic on viu cada espècie bacteriana. Per tant, els tipus de senyals extracel·lulars, receptors, mecanismes de transducció de senyals i la regulació dels gens diana són característics i específics de cada espècie bacteriana (Bassler, 2002). Les principals diferències d’aquests nous sistemes de QS respecte el model LuxI/R de V. fischeri radiquen en la naturalesa de la molècula AI, els mecanismes que controlen la seva síntesi, la resposta cel·lular que controlen i l’espectre de comunicació (interespècies, intraespècies o interregnes).

Tot i que en aquest treball ens centrarem en l’estudi del QS regulat per les molècules AI dels tipus AHLs, a continuació s’enumeren i es fa una breu explicació dels diferents sistemes de QS més ben descrits i estudiats entre els bacteris gram negatius i positius en funció de les molècules AI que utilitzin. La major part de bacteris gram negatius utilitzen les AHLs, també anomenades AI-1, els bacteris gram positius utilitzen pèptids senyals i ambdós grups utilitzen les molècules AI-2. Més enllà d’aquestes principals categories també existeixen altres sistemes de QS que utilitzen altres molècules AI. Probablement es seguiran descobrint moltes altres molècules AI a mesura que l’estudi del QS avanci (LaSarre & Federle, 2013). Vegeu la Figura 1.2 on s’exemplifiquen les diferents molècules AI.

1.2.2.1. QS regulat per les N-acil-L-homoserina lactonas (AHLs) o autoinductores del tipus 1 (AI-1).

Sistema de QS majoritari i establert només en els bacteris gram negatius. El primer descrit va ser en V. fischeri i el sistema de comunicació cel·lular es basa en la síntesi i recepció de les molècules autoinductores AHLs (Figura 1.2-A), sintetitzada i reconeguda per les proteïnes del tipus LuxI i LuxR respectivament (Whitehead, et al., 2001). A continuació d’aquest apartat hi haurà una explicació més detallada d’aquest sistema de QS.

10

1.2.2.2. QS regulat per les molècules autoinductores del tipus 2 (AI-2).

Aquest sistema és utilitzat en bacteris gram negatius i gram positius. Originalment identificat en Vibrio harveyi com a regulador de bioluminescència, la proteïna LuxS s’encarrega de la síntesi de la molècula autoinductora AI-2 (derivats de 4,5-dihidroxi 2,3-pentanediona, DPD) les quals s’han identificat en més d’una cinquantena d’espècies diferents com, per exemple, Salmonella enterica (Figura 1.2-B). Les AI-2 difonen lliurement a través de la membrana tant en bacteris gram negatius com positius i s’acumulen a l’espai extracel·lular, com succeeix amb totes les molècules senyals dels diferents tipus de QS. La detecció d’aquestes molècules es produeix a partir de diferents receptors a la membrana. Aquest sistema es considera el llenguatge universal entre bacteris gram negatius i gram positius, detectada en diversos ambients, com per exemple en el tracte gastrointestinal (Surette, et al., 1999, Jayaraman & Wood, 2008).

1.2.2.3. QS regulat per oligopèptids.

Els bacteris gram positius utilitzen oligopèptids modificats com a molècules autoinductores per a comunicar-se. Aquests no difonen lliurement per la membrana sinó que s’exporten de les cèl·lules utilitzant transportadors específics. Durant la translació, exportació i detecció, els pèptids sofreixen varies modificacions. La detecció d’aquests pèptids es produeix majoritàriament de forma extracel·lular a partir de l’activació de sistemes de dos components situats a la membrana. Alguns exemples es trobem en espècies com Staphylococcus aureus el qual produeix 4 grups de pèptids del tipus AIPs, around cyclic autoinducer peptides (Figura 1.2- C) mentre que Streptococcus pneumoniae produeix pèptids linears anomenats CSP (Figura 1.2- D). D’altres actuen a nivell intercel·lular unint-se directament al regulador per alterar l’expressió gènica, com per exemple Enterococcus faecalis o Bacillus thuringiensis, productors també de pèptids linears, cCF10 i NprX/PapR respectivament (Figura 1.2-D) (Kleerebezem, et

al., 1997, LaSarre & Federle, 2013).

Com ja hem mencionat anteriorment, a més a més de les principals categories de molècules AI hi ha altres molècules AI que no entren dins d’aquests tres grups, però que són molt estudiades en alguns microorganismes. En fem un resum a continuació:

1.2.2.4. QS regulat per les Quinolona senyal de Pseudomonas aeruginosa (PQS). Les molècules PQS (Figura 1.2-E) i les precursores HHQ són els productes de la biosíntesi de l’operó pqsABCDE. Tot i això, ambdues actuen com a molècules AI de QS unint-se al regulador transcripcional PqsR que regula i modula l’expressió gènica en P. aeruginosa. PQS i

11 HHQ es diferencien l’una de l’altra per un grup hidroxil que s’encarrega d’afegir l’enzim PqsH. Altres microorganismes com Burkholderia spp. utilitzen els precursors HHQ com a senyals de QS (Dubern & Diggle, 2008). La molècula senyal del tipus PQS s’ha vist que s’allibera a l’espai extracel·lular dins de vesícules, les quals transporten diferents tipus de macromolècules. Aquestes vesícules contenen PQS i altres quinolones, per tant, serveixen per al transport de diversos missatges, ja que transporten molècules AI i antibacterians. (Pesci, et al., 1999, Mashburn & Whiteley, 2005, Bassler & Losick, 2006).

1.2.2.5. QS regulat pel Diffusible signal factor (DSF).

El QS regulat per la molècula autoinductora DSF (Figura 1.2-F) va ser descrit per primer cop en Xanthomonas campestris pv campestris (Xcc) i caracteritzat com un àcid gras insaturat anomenat cis-11-methyl-dodecenoic per Wang, et al., (2004). Aquest sistema depèn principalment del cluster de gens anomenats rpfBF i rpfGHC, el qual codifica proteïnes sintetitzadores d’aquest àcid gras (DSF) i un sistema de dos components que regula el senyal de transcripció (Barber, et al., 1997, Slater, et al., 2000). Un sistema similar regulat per una molècula senyal del tipus DSF s’ha descrit a Xylella fastidiosa espècie fitopatògena genèticament relacionada amb Xanthomonas (Colnaghi Simionato, et al., 2007). El sistema DSF també és present en patògens humans gram negatius com S. maltophilia (Fouhy, et al., 2007, Huang & Lee Wong, 2007).

1.2.2.6. QS regulat per les molècules autoinductores del tipus 3 (AI-3).

Aquetes molècules aromàtiques són produïdes per la flora microbiana del tracte intestinal humà i per algunes especies entèriques patògenes. L’estructura i síntesis de la molècula AI-3 és desconeguda. Els sistema de dos components QseC/B regulen aquestes molècules i activen la transcripció gènica en Escherichia coli i Salmonella enterica serovar Typhimurium. S’hipotetitza que aquetes molècules AI-3 són similars a dos hormones produïdes per l’hoste (Kendall & Sperandio, 2007, Moreira, et al., 2010).

1.2.2.7. QS regulat per la molècula peptídica AX21.

Aquesta molècula AI es tracta de la primera molècula peptídica identificada en bacteris gram negatius. Ha estat detectada recentment en l’espècie fitopatògena de l’arròs

Xanthomonas oryzae pv. oryzae (Xoo). AX21 és una proteïna de 194 aminoàcids secretada a

través del sistema de secreció del tipus I. Els seus homòlegs són presents en plantes i agents patògens d'animals, inclosos Xanthomonas spp (90%-98% d'identitat), X. fastidiosa (48%

12

d’identitat) i S. maltophilia (61% d'identitat). La relació funcional d’aquest sistema de QS amb els sistemes de regulació ja coneguts encara resta per descobrir (Ham, 2013).

Figura 1.2. Exemples de la diversitat de molècules AI dels diferents sistemes de QS bacterians. A, AHLs, N-acil-L-homoserina lactonas, produïdes pels bacteris gram negatius. R1, substitució en el tercer

carboni per un grup –oxo o –hidroxil i R2, llargada de la cadena variable entre 1-15 carbonis.

B, molècules AI-2 produïdes per gram negatius i gram positius. C i D, pèptids senyal (AIP o linears)

produïts per diferents bacteris gram positius. E, PQS, quinolona senyal de P. aeruginosa. F, DSF, Diffusible signal factor, produït per diversos bacteris gram negatius. Figura adaptada de LaSarre i Federle (2013).