GASP fenotüüp

GASP fenotüüp on bakterite omadus, mis lubab neil võrreldes ülejäänud populatsiooniga pärast surmafaasi kasvu jätkata. Otsetõlkes tähendab see kasvueelist statsionaarses faasis (inglise keeles growth advantage in stationary phase). Bakterid on kohanenud elama keerulistes tingimustes või keskkondades ja sellest tulenevalt on võimelised ekspresseerima palju erinevaid stressi-vastus geene ja aktiveerima alternatiivseid metaboolseid radu, et nendes tingimustes ellu jääda. Seega bakteritele stressi tekitavad kasvukeskkonnad selekteerivad välja mutandid, kellel on geenimutatsioonide tagajärjel välja arenenud GASP fenotüüp. Lisaks paljudele füsioloogilistele, morfoloogilistele ja geeniekspressiooni muutustele, mis pikaajalisse statsionaarsesse faasi sisenemisel ilmnevad, on potentsiaalselt kõige märkimisväärsemad muutused seotud geneetiliste alternatsioonidega. Nende alternatsioonidega seotud fenotüübiks peetakse GASP fenotüüpi, mis tähendab kasvueelist pikaajalises statsionaarses faasis. Seda defineeritakse ka kui vanemate kultuuride rakkude omadust välja tõrjuda nooremate kultuuride rakke. GASP fenotüüpi demonstreeritakse teostades eksperimente segakultuuridega, kus rakud erineva ‘vanusega’ kultuurides pannakse omavahel võistlema. Praktiliselt kõik E. coli kultuurid, mis on LB-söötmes kasvanud, ekspresseerivad GASP fenotüüpi pärast 10 päeva kestnud inkubatsiooni. Rakud, mis on eraldatud varem kui 8-päevastest kultuuridest, ekspresseerisid GASP’i väga harva. Kui panna 10-päevane kultuuriproov 1-päevasesse kultuuri, siis algselt vähemuses olnud vanemad rakud suudavad aja jooksul arvult ületada noored populatsioonid. 7–10 päeva pärast ei ole alles jäänud ühtegi nooremat rakku. Seega ainult rakud, kes on suutnud 10 päeva pärast inokulatsiooni veel ellu jääda, ekspresseerivad GASP fenotüüpi. Kõik bakteritüved aga pole võimelised nii kaua elujõulised olema ja need ei ekspresseeri GASP’i. GASP fenotüübi kujunemine on geneetiliselt määratud ja ei sõltu füsioloogilistest adaptatsioonidest, mis kujunevad vastavalt keskkonnale statsionaarses faasis. Seni on määratud neli GASP mutatsiooni E. colis, neist kolm lookust on kirjeldatud. Esimene identifitseeritud mutatsioon oli geenis rpoS, mis kodeerib alternatiivset sigma (σ) faktorit RpoS. Veel on mutatsioone kirjeldatud lrp ja ybeJ-gltJKL klastrites, mis kodeerivad leutsiin-tundlikku valku ja suure afiinsusega aspartaadi ja glutamaadi transporterit. Iga GASP mutatsiooni tagajärjeks on suurenenud võime kataboliseerida ühte või mitut aminohapet energia või süsinikuallikana. See on tugev selektiivne valik GASP mutatsioonide evolutsioonis. GASP mutatsioonid rpoS geenis on kõige sagedasemad GASP mutatsioonid, mis on leitud 10-päevastest E. coli kultuuridest. Need põhjustavad geeni nõrgenenud fenotüüpi, kuid ei kaota funktsiooni – RpoS aktiivsus väheneb 0,1-1%. Kõige paremini kirjeldatud mõjud GASP alleelidel rpoS geenis on raku suurenenud võime kataboliseerida kindlaid aminohappeid süsinikuallikaks (alaniin, arginiin, aspartaat, glutamaat, glutamiin, seriin, treoniin, proliin). Muteerunud rpoS alleelid omavad kõige suuremat eelist aluselises keskkonnas, neutraalses keskkonnas eelis väheneb ning happelistes tingimustes ei võimaldata GASP fenotüübil üldse avalduda. Bakterite metabolismile on omane ‘feast or famine’ (eesti keeles pidusööming või näljahäda) mudel, mis tähendab, et ollakse võimelised ära kasutama kõik vajaminevad toitaineid keskkonnast muutes neid biomassiks, kuid suudetakse olla ka pikalt soikeseisundis n-ö näljas, kui toitained on ära kasutatud. E. coli rakkudel on tuvastatud tõsiasi, et viimasena oma metaboolse aktiivsuse peatanud rakud on esimesed, kes toiteainete juurdelisamisel oma metabolismi uuesti aktiveerivad. Enamasti iseloomustatakse kolme/nelja faasi bakteri elutsüklis, kuid laborikeskkonnas on neid viis: lag-faas, eksponentsiaalne või logaritmiline faas, statsionaarne faas, surmafaas ja pikaajaline statsionaarne faas. Sõltuvalt keskkonnast s.o kinnises söötmes, kuhu on algselt kogu toitainete substraat lisatud, hakkavad teatud aja pärast bakterid kaotama elujõuetust ja see tähistab statsionaarse faasi üleminekut surmafaasi. Ajaliselt määratakse surmafaas elutsüklis alates sellest, kui umbes 99% bakteritest on elujõulisuse kaotanud. Kui rakud surevad, peatub nende elutegevus ja allesjäänud elusad rakud on võimelised kataboliseerima nende jäänuseid – aminohappeid valkudest, süsivesikuid rakuseintest, lipiide rakumembraanidest ja ka DNA’d. Surmafaasi regulatsioonis on omal kohal programmeeritud rakusurm ehk apoptoos (siinkohal bakteriaalne apoptoos) – rakud tajuvad, et on suure tihedusega ja toitained hakkavad otsa saama. Signalisatsioonisüsteemis, kus rakud on võimelised omavahel suhtlema, on osa populatsioonist n-ö õppinud, et kui teatud arv bakteripopulatsioonist läheb apoptoosi, siis ülejäänud osa peaks reprodutseerima ja seega surmafaasist väljuma. Signaaliks arvatakse olevat juba surnud rakkude jäänused. Pärast surmafaasi on mudelorganism Escherichia coli võimeline pikalt elama kinnises söötmes toitaineid juurde lisamata. Tagades steriilset destilleeritud vett ruumala ja osmolaarsuse säilitamiseks, on aeroobselt kasvanud kultuurid võimelised säilima umbes 106 CFU/ml tiheduse juures kauem kui 5 aastat ning seda toitaineid juurde lisamata. Selleks faasiks on pikaajaline statsionaarne faas. Võrreldes varasema statsionaarse faasiga, on pikaajaline statsionaarne faas dünaamiline – ei toimu rakujagunemisi. See tähendab, et pikaajalised kultuurid on võimelised ülal pidama vaid teatud arv rakke. Kui uued rakud tekivad, peavad vanad rakud surema. Soikeseisundist väljumine on heterogeenne – moodustuvad erinevad populatsioonid, mis eri aegadel uuesti kasvu jätkavad. Seda saab indutseerida erinevaid süsikuallikaid kasutades. Näiteks glükonaat koos vähese glükoosihulgaga on väga efektiivne heterogeensuse tekitamiseks. Esmaste GASP alleelide kujunemisele rpoS geenis järgnevad teisedki ebaharilikud GASP mutatsioonid. On näidatud, et mitte ainult 10-päevased kultuurid ei kasva üle 1-päevaseid rakke, vaid ka 20-päevased kasvavad üle 10-päevaseid, 30-päevased kasvavad üle 20-päevaseid jne. Kuni 60-päevased kultuurid on võimelised ületama nooremaid rakke. Konstantne GASP mutatsioonide esinemine näitab, et pikaajalise statsionaarse faasi kultuurid ei ole staatilised, vaid dünaamilised. Seda tõestab ka asjaolu, et üldine rakkude arv aja jooksul ei muutu ning säilib tasakaal. Finkel, S. E. Long-term survival during stationary phase: evolution and the GASP phenotype. Nat. Rev. Microbiol. 4, 113–120 (2006). Zinser, E. R. & Kolter, R. K. E. coli evolution during stationary phase. Res. Microbiol. 155, 328–336 (2004). Zambrano, M. M., Siegele, D. A., Almirón, M., Tormo, A. & Kolter, R. Microbial competition: E. coli mutants that take over stationary phase cultures. Science 259, 1757–1760 (1993). Bohannon, D. E. et al. Stationary phase-inducible "gearbox" promoters: differential effects of katF mutations and role of σ70. J. Bacteriol. 173, 4482–4492 (1991). Farrell, M. J and Finkel, S. E. "The Growth Advantage in Stationary-Phase Phenotype Conferred by rpoS Mutations Is Dependent on the pH and Nutrient Environment" (inglise keel). Journal of Bacteriology. Vaadatud 31.10.2017.{{netiviide}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) CS1 hooldus: tundmatu keel (link) Morita, R. Y. Bioavailability of energy and its relationship to growth and starvation in nature. Can. J. Microbiol. 34, 436–441 (1988). Jõers, A. and Tenson, T. Growth resumption from stationary phase reveals memory in Escherichia coli cultures. Sci. Rep. 6, 24055; doi: 10.1038/srep25055 (2016). Finkel, S. E. & Kolter, R. DNA as a nutrient: novel role for bacterial competence gene homologs. J. Bacteriol. 183, 6288–6293 (2001). Finkel, S. E., Zinser, E. & Kolter, R. in Bacterial Stress Responses (eds Storz, G. & Hengge-Aronis, R.) 231–238 (ASM Press, Washington DC, 2000). Finkel, S. E., Zinser, E. R., Gupta, S. & Kolter, R. Life and death in stationary phase. In Molecular Microbiology Vol. H 103 (eds Busby, S. J. W., Thomas, C. M. & Brown, N. L.) 3–16 (Springer-Verlag, Berlin, 1998).