Морфологические и молекулярно-генетические признаки программированной клеточной гибели прокариот

© Б.Г. Андрюков, Л.М. Сомова, Н.Ф. Тимченко, 2015 г. УДК 571.03-571.21:577.2.08

Б.Г. Андрюков, Л.М. Сомова, Н.Ф. Тимченко

морфологические и молекулярно-генетические признаки программированной клеточной гибели прокариот

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Научно-исследовательский институт эпидемиологии и микробиологии имени Г.П. Сомова», г. Владивосток

Программированная гибель клеток (ПГК) была впервые изучена в эукариотических организмах, однако, было предположено, что эта система также функционирует в процессе развития жизненного цикла прокариот. Система ПГК активируется широким спектром сигналов в ответ на стрессы микроорганизмов, вызванные неблагоприятными условиями окружающей среды при инфицировании организма-хозяина или воздействием антибактериальных средств. Среди стратегий ПГК, наиболее изученным представляется апоптоз - регулируемый процесс самоликвидации клеток, который первоначально определялся исключительно морфологическими компонентами. Результаты многочисленных исследований, проведенных в последнее десятилетие, позволяют рассматривать апоптотический механизм ПГК прокариот как средство эволюционного сохранения вида. Эти результаты существенно расширили представления о роли ПГК у микроорганизмов и открыли ряд важных направлений исследований морфологических и молекулярно-генетических подходов к изучению стратегий смерти ради выживания у бактериальных популяций. Филогенетическое объяснение происхождения ПГК прокариот лежит в плоскости развития системы управления клеточной гибелью, а также комплекса её регулирования.

Ключевые слова: прокариоты, программированная гибель клеток (ПГК), апоптоз, аутолиз, некроз, пироп-тоз, морфологические, биохимические и генетические признаки ПГК.

Цитировать: Андрюков Б.Г., Сомова Л.М., Тимченко Н.Ф. Морфологические и молекулярно-генетические признаки программированной клеточной гибели прокариот // Здоровье. Медицинская экология. Наука. 2015. №3(61). С. 4-22. URL: https://yadi.sk/i/sqKGt5LthdKsj.

Введение

Программированная гибель клеток (ПГК) определяется как активный, тонко регулируемый процесс клеточного самоубийства в любой форме, генетически опосредованный внутриклеточными программами. Этот процесс может быть активирован некоторыми сигналами, включая информацию из метаболического статуса клетки, ее внеклеточного окружения и в процессе ее развития [10, 65, 113]. Как правило, ПГК используется для ликвидации лишних или потенциально вредных клеток. У эу-кариотов реализация ПГК обычно ассоциируется с некоторыми морфологическими и биохимическими изменениями, фенотипические последствия которых общеизвестны как апоптоз [46, 113].

В наши дни термин «программированная смерть» используется для обозначения любой формы клеточной гибели - опосредованной внутриклеточной программы, независимо от того, что ее вызывает, имеются ли морфологические и биохимические характеристики апоптоза [35].

Долгое время считалось, что апоптоз, как высоко регулируемый генетический процесс самоубийства на клеточном уровне, свойствен лишь клеткам высокоорганизованных животных. В последние годы исследования показали, что апоптоз и другие формы программированной гибели клеток имеют место не только у многоклеточных животных, но и у растений [86, 116], реснитчатых Tetrahymena ЛегторЫШ

[124], жгутиковых Peridinium gatunense [10] и дрожжей [83-85]. Феномен клеточной смерти у этих одноклеточных организмов имеет много общих черт с апоптозом у многоклеточных организмов, включая фрагментацию ДНК, цитоплазматическую пузыр-чатость и вакуолизацию, а также регуляцию экс-трацеллюлярными сигналами либо экологическими стрессорами [10, 35, 114].

У эукариот система ПГК выполняет ряд жизненных функций для выживания многоклеточных организмов. Эта система является ответственной за программированную элиминацию клеток при формировании нервной системы или отторжении хвоста головастика. Поддержание гомеостаза организма также зависит от ПГК, например, путем обеспечения нормальной функции клеток иммунной системы [11, 129]. Кроме того, ПГК ликвидирует дефектные (например, раковые) и поврежденные в результате инфекции, воздействия химических веществ или факторов окружающей среды клетки в тех случаях, когда их «ремонт» обойдется слишком дорого для организма.

Таким образом, систематическое клеточное «самоубийство» является альтруистическим, обеспечивающим выживание всего организма путем программной ликвидации поврежденных клеток для сохранения невредимости всего организма. Тот факт, что апоптоз был документирован у нескольких одноклеточных эукариот, принадлежащих к разным

таксонам, указывает на то, что альтруистическая роль ПГК в выживании клетки не ограничена и может быть распространена и для многоклеточных организмов. Сообщества одноклеточных организмов не являются многоклеточными сами по себе, однако, самопожертвование одной клетки в пределах сообщества обеспечивает выживание окружающих ее неповрежденных клеток и, в конечном итоге, всего генома популяции [113].

Принципиально механизм клеточной смерти у одноклеточных и многоклеточных эукариот сходен. Во многих исследованиях апоптоза у одноклеточных эукариот установлен факт участия в гибели клеток цистеиновых протеаз и митохондрий, что может указывать на очень древнее происхождение и относительную консервативность механизмов апоптоза. Основными маркерами апоптоза у одноклеточных эукариот, как и у большинства эукариот вообще, являются: фрагментация ДНК и последующий распад клетки на отдельные апоптозные тельца [3, 113].

Еще в конце ХХ века в нескольких научных статьях было высказано предположение о том, что система ПГК существует и у прокариотических организмов. Как и у эукариот, она служит для программной ликвидации поврежденных клеток в процессе развития [65, 80]. В частности, в работе К. Lewis (2000) [80] приведены убедительные литературные доказательства, что ПГК может играть важную роль в процессе развитии бактерий, проявляясь в виде лизирования материнской клетки у спорообразующих микроорганизмов и лизиса вегетативных клеток при почковании миксобактерий.

Казалось бы: зачем одноклеточным бактериям программа для самоубийства? Многие бактерии развиваются в сложных отношениях с другими клетками того же вида или близких видов, образуя разнообразные сообщества, такие как биопленки, которые по своей организации напоминают многоклеточные организмы. Дальнейшие исследования показали, что стратегия ПГК в клетках прокариот развивалась как средство уничтожения дефектных клеток, которые были бы вредны для остальной колонии [6, 11, 22, 24 и др.].

Эти и другие данные дали основание предположить, что хорошо описанные явления аутоли-за бактерий после воздействия антибиотиков или других неблагоприятных факторов окружающей среды на самом деле можно представлять как функционирование ПГК в целях устранения поврежденных клеток в популяции. Кроме того, не исключено, что спонтанный лизис большой части популяции бактерий, часто наблюдающийся в стационарной фазе роста бактериальных культур и происходящий при культивировании в условиях недостаточного питания, может также являться примером ПГК [31, 42, 80, 128].

На первый взгляд, может показаться, что механизм ПГК не выгоден для одноклеточных микроорганизмов. Тем не менее, мы все больше осознаем, что «простейшие» микроорганизмы являются представителями сравнительно сложных сообществ. Они живут в колониях, таких как биопленки, где координируются экспрессия генов и поведение членов сообщества.

В этих ситуациях альтруизм и самопожертвование большинства представителей популяции в условиях воздействия повреждающего агента, таких как антибиотики, неблагоприятные факторы окружающей среды или культивирование в условиях лимитированного питания, можно представить, в конечном счете, как способ выживания немногих оставшихся бактерий. Пока еще проведено недостаточно исследований механизмов ПГК у прокариот и работ, посвященных этой теме, в отечественной литературе, немного.

Цель настоящего обзора состоит в обобщении морфологических и молекулярно-генетических признаков апоптоза у прокариот, являющихся специфическими проявлениями стратегии биологического феномена ПГК.

Формы программированной гибели клеток

В научной литературе нередко ПГК приравнивали к апоптозу, однако, сегодня становится ясно, что и неапоптические формы клеточной смерти -аутофагия, некроз и недавно открытый пироптоз (pyroptosis) [25] - одинаково важны для организма. Биохимические основы для этих альтернативных морфологических форм клеточной смерти пока остаются малоизученными. Раскрытие широкого спектра эффекторных механизмов для этих форм будет иметь потенциально важные последствия для понимания эволюционных аспектов стратегий клеточной гибели, лечения нейродегенеративных заболеваний и рака (как следствия дисбаланса между пролиферацией и ПГК), а также для разработки новых диагностических маркеров различных заболеваний с участием этих альтернативных форм ПГК.

В качестве прелюдии к обсуждаемой теме необходимо остановиться на кратком описании основных и альтернативных форм ПГК у прокариот, которые сегодня привлекают наибольшее внимание в научной литературе [2, 16, 28, 66, 49, 104, 108, 109, 119].

Апоптоз. Основная и наиболее изученная форма ПГК - это апоптоз или тип I. Впервые термин «апоптоз» (в переводе с древнегреческого - «опадение», или «листопад»), который ввели J.F. Керр et а1. (1972), в настоящее время имеет несколько определений, главный смысл которых состоит в представлении этого процесса как программированная гибель клетки (ПГК), отражающие его основное функциональное значение. Авторы справедливо предполо-

жили, что этот феномен играет важную роль в нормальном обмене веществ в клетках и нарушения в его механизме могут стать причиной возникновения заболеваний. Они же впервые выдвинули и обосновали концепцию о принципиальном различии апоп-

тоза и других форм ПГК [69]. В 2002 г. S. Brenner, R. Horvitz и J. Sulston, получили Нобелевскую премию за раскрытие основных механизмов генетической регуляции развития органов и исследования ПГК [130] (рис. 1).

Проапоптические сигналы

j / - и.

Апоптоз

к

if

1

ПермеаЗилизация мембраны митохондрий

Цитохром С \

Формирование /МК апоптосомы l^jjj^p

/ ммп *

Митохондрия

Jmac/DIABLO

Белки интернембрйН него" пространства

Omí/HtrA2 X. An в nro J -индуцирующий фам-iöp (A IF J

Семействе нныбнрующнх апопгсийепкив

Kaon аза -Ö

Эффектэрные каспазы

Зффекторные каспазы

Рис. 1. Биохимические маркеры апоптоза у прокариот

i Б  Андрюков, 2014 г.

Апоптоз обозначает регулируемую форму гибели клеток, которая опосредуется скоординированными действиями протеаз и нуклеаз внутри неповрежденной клеточной мембраны. В настоящее время изучено множество интегральных механизмов, с помощью которых апоптоз может быть запущен в эу-кариотических клетках [9, 10, 82, 74, 134] (рис. 2).

Один из таких механизмов (внутренний) - мито-хондриальный - связан с изменением мембранного потенциала и освобождением проапоптических белков семейства Bcl-2. Он зависит от протеолитиче-ского каскада активации и выделения в цитоплазму цитохрома С, флавопротеина AIF (apoptosis-inducing factor - фактор, индуцирующий апоптоз), прокаспа-зы, что является ключевым событием при апоптозе в клетках эукариотов и также одним из пусковых событий в системе ПГК в микроорганизмах [13, 25, 37, 128]. В свою очередь, это ведет к активации каспаз, большого семейства протеаз, которые вовлекаются в инициацию и участие в организованном демонтаже клеток [31, 113, 128]. Этот путь, по-видимому, имеет место у всех клеток эукариотических организмов, обладающих митохондриями. Особенностью такого механизма является его относительная независимость от каспаз [19. 98, 104].

Другой путь (внешний), достаточно широко распространенный у низших эукариотов и растений, является зависимым от ферментов, подобных каспазам млекопитающих и берущих начало от поверхностных рецепторов клеток, осуществляющих трансдукцию (передачу) апоптотиче-ских сигналов. Это семейство, так называемых, рецепторов смерти, «death receptors» (среди наиболее изученных рецепторов - Fas, он же АРО-1 или CD95, TNFR1 - он же р55 или CD120a, DR3, DR4, DR5 и их соответствующие лиганды), которые имеют прямую связь с механизмом апоптоза [1, 2, 19, 93, 104].

Все рецепторы смерти представляют собой трансмембранные белки, характеризующиеся наличием общей последовательности из 80 аминокислот в цитоплазматическом домене (т.н. «домен смерти», death domain, DD). Именно с этими рецепторами у многоклеточных эукариот связан и другой путь апоптоза (т.н. инструктивный апоптоз). Его основой служит механизм передачи суицидного сигнала от «рецепторов смерти» плазматических мембран через цепочку сигнальных белков, включающих в себя каспазоподобный фермент, к митохондриям и затем в ядро [14, 30, 124].

Рис. 2. Механизмы развития апоптоза у прокариот

В настоящее время описан ряд других взаимозависимых путей, связанных с внутренним механизмом апоптоза, в которых задействованы разнообразные проапоптотические белки [49, 104, 123, 131]. Оригинальное исследование апоптоза было проведено на модели развития клеток C. elegans [137]. Было обнаружено, что апоптоз у прокариот является важнейшим этапом онтогенеза.

Апоптоз по ряду морфологических признаков отличается от аутофагии (лизосомальной деградации внутриклеточных белков, липидов, нуклеиновых кислот и органелл), от некроза (который является результатом острого воспалительного повреждения ткани) и пироптоза (провоспалительной смерти макрофагов и моноцитов, в основе которой лежит избыточная продукция интерлейкина-1, сопровождающая инфекционные процессы, вызванные Shigella typhimurium, Listeria monocytogenes, Pseudomonas aeruginosa, Francisella tularensis, Legionella pneumophila, Yersinia pseudotuberculosis, Burkholderia pseudomallei, Candida albicans и другими микроорганизмами [1, 44, 78, 92].

Аутофагия. Аутофагическая гибель клеток, или тип II ПГК, на первый взгляд, менее сложная, но, по мнению ряда авторов, в настоящее время намного менее понятная форма [16, 32, 49, 125]. Это связано с тем, что аутофагия (с древнегреческого - «сам» и «есть») сама по себе является клеточным процессом, который служит для защиты клетки от стресса [16, 97]. Аутофагия является эволюционно консервативной формой для деградации внутриклеточных компонентов [89, 119] .

Аутофагический механизм является объектом жесткого генетического регулирования и активируется при отсутствии или недостатке питательных веществ, наличии в клетке поврежденных органелл или частично денатурированных белков с помощью хорошо изученного сложного процесса, связанного с разнообразными регуляторными белками [81, 119].

Описаны три варианта этой формы ПГК, названные макроаутофагией, микроаутофагией и шаперо-нопосредованной аутофагией [16, 70]. При этих вариантах аутофагия активируется в ответ на пищевой и энергетический голод, когда клетка захватывает макромолекулы и белки (микроаутофагия), участки цитоплазмы, органоиды (макроаутофагия). После переваривания в лизосомах они становятся материалом для синтеза молекул и экспрессии генов, которые могут служить для предотвращения преждевременной гибели клеток (рис. 3).

Процесс аутофагии имеет решающее значение для выживания клеток в ответ на различные стрессоры, включая отсутствие необходимых аминокислот и глюкозы. Различные варианты аутофагии, предназначены для выполнения специализированных функций, таких как селективного удаления определенных клеточных компонентов, включая специфическое удаление поврежденных и дисфункциональных митохондрий (mitophagy), тем самым регулируя их количество в соответствие с метаболическими потребностями клетки. С другой стороны, аутофагия признается основной формой для сохранения клеточного гомеостаза в условиях стресса, вызванного пищевым голодом, недостатком энергии

Рис. 3. Механизмы аутофагической гибели прокариот

и гипоксии, что играет в этом важнейшем процессе многофункциональную роль [89, 119].

Таким образом, аутофагический путь отвечает статусу регулятора потока питательных веществ и энергии при их дефиците или потере. Возникновение аутофагии имеет решающее значение при ответе микроорганизмов на воздействие неблагоприятных условий окружающей среды, недостатке питания и, как правило, рассматривается в качестве механизма выживания клеток [16, 18, 49, 67].

В установлении связи между аутофагией и ау-тофагической смертью клеток до сих пор остается много неясного. Аутофагическая гибель клеток может быть просто своего рода последней инстанцией, результатом длительной аутофагии, когда возможности клетки к выживанию исчерпаны и нет больше ресурсов для борьбы с продолжающимися стрессами [111]. Некоторые авторы отводят аутофагии роль «невинного свидетеля» процесса аутофагической гибели клетки [32, 33, 111, 119]. Другие - рассматривают аутофагию в качестве ингибитора аутофагиче-ской гибели [49, 125]. На сегодняшний момент это связано с техническими сложностями определения конкретных химических ингибиторов аутофагиче-ской гибели или генетических маркеров, кодирующих регуляторы процесса [16, 136].

Тем не менее, существование такой формы клеточной смерти как аутофагическая гибель признают даже самые ярые ее оппоненты, но при определенных условиях [125]. Например, вызывающие при обычных условиях апоптоз раздражения приводят к аутофагической гибели клетки в эмбриональных фибробластах мышей, у которых были нокаутированы оба члена проапоптотического семейства белков

Bcl-2, Вах и Bak [57]. В перспективе большие надежды связываются с протеомическими подходами к изучению аутофагии, которые могут быть полезными в дальнейшем разграничении роли аутофагии и других форм ПГК [119, 135, 136].

Отношения между аутолизом и аутофагией не полностью выяснены, но в случае аутофагии предшествует стадия аутолиза. Кроме того, ускорение аутолиза можно достичь, используя генетические индукторы, участвующие в аутофагии [24]. Аутолиз был описан как важнейший этап развития процесса некоторых родов спорообразую-щих бактерий (Bacillus, Clostridium, Sporosarcina, Sporolactobacillus, Desulfotomaculum и актиномице-тов рода Thermoactinomyces). Например, в Bacillus subtilis, вегетативные клетки-спорангии подвергаются аутолизу для выхода спор.

Некроз. Тип III ПГК также известен как некроз и связан с лизисом клеток в ответ на острую нефизиологическую травму как следствие повреждения наружной мембраны с последующим выходом внутриклеточного содержимого во внеклеточное пространство, что приводит к местному воспалению и повреждению окружающих тканей [119]. Эта гибель клеток отличается от апоптоза по ряду легко выявляемых ключевых биохимических, молекулярных и морфологических признаков, хотя эти два процесса не обязательно являются взаимоисключающими [49, 136].

Многие стрессоры, которые вызывают апоптоз при низких и умеренных дозах, в итоге, могут вызвать некроз при относительно высоких дозах. Ряд эндогенных стрессоров могут обеспечить баланс между апоптотической и некротиче-

ской смертью клетки. Клеточная энергия (уровни АТФ) является одним из таких факторов, определяющих форму ПГК. Достаточный уровень АТФ необходим для инициации ступенчатой активации каспаз, в то же время быстрое снижение уровня клеточной энергии обычно приводит к некротической гибели клеток [119].

В некротических клетках наблюдается ранняя утрата целостности наружной мембраны. Также ключевым среди различий является пузырение мембраны при апоптозе клеток с последующим захватом обломков (блебов) иммунными клетками. С другой стороны, некротические клетки при распаде остаются в ткани и приводят к воспалению. Некроз является формой гибели клеток, происходящей в ответ на тяжелый стресс, который приводит к необратимым клеточным повреждениям. Недавние исследования показывают, что существуют генетически запрограммированные формы некроза (necroptosis), которые могут быть вызваны тяжелыми стрессами, включая некоторые формы повреждения ДНК [135, 137].

Биохимический механизм с участием рецептора смерти типа ТОТ-а опосредует формирование не-кросомного комплекса с последующей активацией рецепторов взаимодействующих протеинкиназ 1 и 3 (ЫРК-1 и 3), что может привести как к апоптозу, так и к некротической гибели клеток [59]. Соединения, способные ингибировать МР^, были идентифицированы как ингибиторы некроза [19]. Эти и другие исследования допускают реальность клинических стратегий, направленных на предотвращение некоторых форм некротической гибели клеток.

Альтернативные формы программированной гибели клеток. Иные формы ПГК были известны достаточно давно [104]. Существуют нетрадиционные формы ПГК, которые отличаются из-за ряда характеристик, будучи независимыми от каспаз или Вах [74].

Среди них одна из наиболее известных - пироп-тоз (pyroptosis) - представляет собой форму гибели клеток, которая опосредуется провоспалительными сигналами и связана с воспалением. При инфицировании организма патогенными видами сальмонелл происходит инициирование каспаза-1-зависимой гибели клеток и развивается пироптоз. Каспаза-12-зависимый механизм ПГК, по-видимому, имеет место при некоторых формах гибели клеток, которые наблюдаются при сепсисе [16, 28]. Гибель клеток происходит в результате мембранного порообразования и цитоплазматического отека с последующей утратой цитозольного содержимого. Подобно апоп-тотической морфологической картине, при пиропто-зе может также иметь место фрагментация ДНК и ядерная конденсации хроматина [16].

В основе патогенеза наследственных нейродеге-неративных заболеваний, таких как болезнь Хан-

тингтона (Huntington's chorea) и боковой амиотро-фический склероз, лежит гибель нейронов, которая по морфологическим и биохимическим признакам не отвечает критериям апоптоза, но соответствует пироптозу [67].

Недавно среди форм ПГК стал известен аноикис (anoikis), который описывают как форму апоптоза. Он происходит в ответ на открепление клеток при нарушении межклеточных контактов. Повышенная устойчивость к этой форме гибели клеток может привести к независимому клеточному росту, что часто можно наблюдать при метастатическом распространении раковых клеток [97, 120, 121].

Эти альтернативные формы ПГК, на первый взгляд, имеют некоторые морфологические признаки апоптоза, что дало основание ряду исследователей считать их его вариантами. Однако само их существование наводит на мысль о нераскрытых механизмах и не выявленных сигналах, запускающих клеточную гибель по иному пути.

Вместе с тем, несмотря на различия этих путей, митохондрии играют важнейшую роль в обеспечении многих форм ПГК. Даже клеточная смерть, происходящая в процессе старения, показывает большую зависимость от метаболизма глюкозы и, по-видимому, также зависит от митохондрий [127]. Понимание того, как клетка интегрирует всю информацию, чтобы реализовать соответствующую стратегию собственной гибели, требует больше знаний о регуляции ПГК.

Влияние форм программированной гибели клеток друг на друга. Все описанные формы ПГК не всегда являются автономными процессами. Существует много отрицательных влияний между различными формами гибели клеток [55, 104]. Они влияют друг на друга таким образом, что процесс аутофагии может подавлять апоптоз и некроз, в то время как клетки, неспособные к апоптозу, реализуют механизм аутофагической или некротической гибели [104].

В ряде случаев ингибирование каспаз может эффективно предотвращать апоптоз клеток и вызывает некроз [54, 55]. В качестве альтернативы аутофа-гии возможна одномоментная активация апоптоза в качестве защитного механизма [26, 125]. Эти и многочисленные другие формы перекрестных влияний были отмечены в нескольких различных формах ПГК, включая тот факт, что многие отдельные цитоплазматические белки играют роль в более чем одной форме клеточной гибели. Например, белок Beclin, относящийся к семейству Bcl-2, является ключевым регулятором аутофагии и может быть ингибирован Bcl-2 [68], что вызывает индукцию апоптоза и ингибирование аутофагии. С другой стороны, каспаз-опосредованное расщепление Beclin может стать механизмом активации апопто-за и предотвращать аутофагию [34, 54].

Морфологические и биохимические признаки ПГК у прокариот

В эволюционном плане система ПГК является широко распространенной в различных царствах живого, включая прокариот. Существует теория, что она возникла у одноклеточных микроорганизмов как механизм противовирусной защиты популяций и в процессе развития была закреплена у простейших одноклеточных эукариот. В дальнейшем, с появлением многоклеточных организмов, система ПГК совершенствовалась и была приспособлена, наряду с защитой от патогенов, для реализации важных жизненных функций - дифференцировки клеток и тканей при эмбриогенезе и постэмбриональном развитии, для элиминирования состарившихся и подвергшихся воздействию мутагенных факторов клеток [2].

Как уже говорилось ранее, наиболее изученным проявлением системы ПГК на сегодняшний день является апоптоз. В целом проявление апоптоза (в его каспаза-зависимом или каспаза-независимом вариантах) характеризуется комплексом определенных биохимических и морфологических признаков, которые предшествуют и сопровождают клеточную смерть. Эти физиологические изменения направлены на изменение клеточного цикла, приостановку репарации ДНК, изменение внутриклеточного гоме-остаза и возникновение ультраструктурных изменений, связанных с последующим демонтажем биомолекулярной архитектуры бактериальной клетки [27].

ПГК у бактерий можно определить как любой вид генетически контролируемого клеточного демонтажа с активацией специфических для клеточной гибели преобразователей, регуляторов и эффекторов [39, 40].

Запрограммированная смерть у микроорганизмов обычно связывается с реакцией на стресс, обусловленный аминокислотным голодом [8], наличием бактерий-конкурентов [6], температурой окружающей среды [4, 5] или воздействием антибактериальных средств [64, 114].

С этой последовательностью контролируемых событий, связанных с системой ПГК, ассоциированы характерные морфологические и биохимические изменения клеток, подвергнувшихся апоптозу. Эти изменения отражают деградацию погибающей клетки и включают её сжатие, приобретение кокковидной формы и в финале - клеточную фрагментацию на апоптотические тела, которые поглощаются фагоцитами организма-хозяина. На молекулярном уровне одним из последствий апоптоза является накопление специфических молекулярных маркеров, распознаваемых фагоцитирующими клетками: фосфатидил-серина, тромбосподина и других фосфолипидов во внешнем слое наружной мембраны, конденсацию хроматина, фрагментацию ядра и ДНК, протеолиз [65] (рис. 3). Перечисленные морфологические и биохимические признаки составляют основу для

дифференциации между апоптозом и другими формами ПГК (аутолиз, пироптоз и некроз).

Кроме уже упоминавшихся выше примеров программированной ликвидации бактериальных клеток при споруляции или формировании почкующихся телец, можно привести факты реализации ПГК, обнаруженные у многоклеточных микроорганизмов Streptomyces spp., которые образуют длинные многоядерные гифы. E.M. Miguelez et al. (l999) [94] и А. Manteca et al. (2006) [88] показали, что в течение жизненного цикла этих прокариот, большое количество гифов в конце концов отмирает, a выжившие дифференцируются из цепи спор в зрелые колонии. В частности, было показано, что, умирая, Streptomyces antibioticus проходят систематический процесс внутренней клеточной разборки, и это сводит к минимуму нарушение архитектуры колонии. Биохимические маркеры деградации клеточной стенки и мембраны, деградации ДНК и РНК подтвердили существование высоко регулируемого, активного клеточного самоубийства, повлекшего за собой активацию специфических ферментов деградации [88, 94]. Среди этих ферментов были предшественники неспецифических нуклеаз, принимающих участие в деградации хромосом [42, 73] и специфических нуклеаз (endoG), которые вызывают изменения хромосом, аналогичные тем, которые появляются при апоптозе эука-риотических клеток [42, 73, 122]. Сходство некоторых из этих этапов с соответствующими этапами апоптоза эукариотических клеток, таких как фрагментация геномной ДНК и пузырение мембраны, свидетельствует о том, что смерть гифов в этом организме была генетически запрограммирована [88, 94, 122].

Еще один потенциальный механизм программированной смерти у бактерий был обнаружен в ходе длительного изучения Xanthomonas campestris - возбудителя бактериального ожога сои [50, 133]. Было отмечено in vitro, что несколько штаммов этого микроорганизма быстро проходят стадию апоптоза в постэкспоненциальной фазе роста при выращивании в питательной среде, богатой белком и бедной углеводами [50]. При этом начальная стадия апоптоза у этих штаммов имела общие черты с ПГК эукариот, включая наличие фрагментов ДНК в супернатанте, способность к связыванию аннексина-У-флуоресцеина изотиоцианата (FITC) и производство эндогенного фермента м.м. 55 кДа, отражающего активность каспазы-3 [50].

Интересно, что этот фермент был обнаружен с помощью антител к человеческой каспазе-3, и штаммы мутанты Xanthomonas, дефектные по каспазе-3, не подвергались ПГК [50, 133]. При этом выраженность обнаруженных морфологических признаков ПГК, таких как повреждение ДНК, накопление фосфатидил-серина во внешнем слое наружной мембраны и деполяризации митохондриальных мембран, значительно усиливалась в клетках диких штаммов [133, 140].

Рис. 4. Морфологические признаки программируемой клеточной гибели у прокариот

Апоптотические изменения в морфологии у некоторых видов бактерий были обнаружены и в ответ на неблагоприятные экологические условия. Helicobacter pylori, основной этиологический агент гастрита у людей, претерпевает преобразования морфологии из нормальной спиральной в кокковидную форму, когда культура в процессе роста подвержена таким неблагоприятным условиям, как аэробиоз, голод и высокая температура [20, 76, 38, 73, 42, 77].

Кроме того, было показано, что воздействие антибиотиков, например, канамицина, тетрациклина и рифампицина, может также вызвать аналогичные изменения в морфологии H. pylori [76, 95], и были высказаны предположения, что это морфологические проявления ПГК [20, 76, 95].

При конвертации в кокковидные формы, культура-бельность микроорганизма in vitro постоянно теряется, тогда как 50% бактерий по-прежнему остается в бациллярной форме. Это свидетельствует о том, что культурабельность и кокковидная морфология являются двумя отдельными, но связанными характеристиками существования микроорганизмов [76]. Кроме того, считают, что коккоиды проявляют несколько иных свойств, включая потерю мембранного потенциала и значительное уменьшение объема и целостности общей РНК и ДНК. Авторы предположили, что эти формы подверглись или находятся в процессе клеточной гибели. При этом у кокковидных форм H. pylori также наблюдалось наличие электронно-плотных телец, содержащих конденсированные ДНК и расщепленные ДНК в гомогенных фрагментах 100 б.п. [20, 77]. Эти две характеристики очень похожи на два отличительных признака эукариотического апоптоза.

В работе А. Hochman (1997) было подтверждено, что фотосинтезирующие цианобактерии видов Anabaena претерпевают ПГК [65]. В дальнейшем гибель клеток с особенностями, напоминающими те, что наблюдались у эукариот, были замечены у нескольких штаммов Anabaena, подвергшихся стрессу в результате воздействия соли [100]. Эти особенности включали фрагментацию ДНК, вакуолизацию цитоплазмы, увеличение протеазной активности и прогрессирующие дезорганизацию, фрагментацию и аутолиз бактериальной клетки [100].

За последнее десятилетие система ПГК была описана у бактерий из различных таксонов, таких как Bacillus и E. coli [40], Anabaena [100], Caulobacter [13], Streptococcus pneumoniae [61], S. aureus [21], миксобактерий [126], Mycobacterium tuberculosis [9].

Во многом морфологические и биохимические механизмы, лежащие в основе ПГК у прокариотов напоминают аналогичные системы у эукариот, что естественно, учитывая их эволюционную связь. Результаты последних исследований феномена программированной смерти у бактерий показали, что эта система не менее сложна, чем у многоклеточных микроорганизмов. Изучение системы ПГК у микроорганизмов показывает, что она также эволюционировала, исходя из биологической целесообразности, особенностей условий и сохранения у различных таксонов микроорганизмов.

В работах Л.М. Сомовой и соавт. (2006, 2009) исследователи обратили внимание на факт появления у микроорганизмов (Y. pseudotuberculosis, S. enteritidis и L. monocytogenes), культивированных при 37°С, измененных форм, у которых за счет снижения рибо-

нуклеопротеидов цитоплазма приобретала низкую электронную плотность, наблюдалась деградацией хроматина с исчезновением зоны нуклеоида и появлением упаковок электронно-плотного материала под сохранившейся цитоплазматической мембраной. Указанные морфологические изменения имели сходство с апоптотическими и проапоптотическими изменениями у прокариот [4, 5]. Как известно, эти признаки является несомненными показателем смерти и у эукариотических клеток [10, 46, 139, 144].

Однако до сих пор не идентифицирована единая морфологическая и биохимическая модель реализации ПГК эукариот, а биологическая роль этого процесса и механизмы его регуляции пока мало изучены [40]. Все больше открывается фактов, что при реализации летальной программы микроорганизмы ведут себя как члены многоклеточного сообщества, используя различные формы ПГК не только как клеточную смерть, запрограммированную на генетическом уровне, но и как средство сохранения вида [40, 41, 143].

Таким образом, генетически запрограммированные механизмы регулирования смерти клеток обусловили их равное значение для многоклеточных эукариот и простейших прокариот. Это привело к существенным изменениям представлений о том, как воспринимается ПГК в живом мире, и открыло ряд новых генетических подходов в направлениях изучения вызова смерти и стратегии выживания клеток.

Далее мы рассмотрим две генетические программы, инициирующие гибель клеток в бактериальных культурах. Первая опосредуется модулем токсин-антитоксин, расположенным во многих бактериальных хромосомах. Вторая вызывает гибель субпопуляции в спорулирующих культурах бактерий. Эти системы демонстрируют сложные отношения в многоклеточном сообществе бактериальных популяций и представляют новую важную концепцию в микробиологических исследованиях.

Генетические признаки программируемой гибели клеток у прокариот

Одна из наиболее изученных форм ПГК у бактерий - апоптоз - опосредуется с помощью конкретных генетических модулей, называемых токсин-антитоксическими системами (ТАС) или «модулями зависимости». Эта система кодируется хромосомой и является плазмид-зависимой [39, 40, 41, 113]. Каждая система состоит из пары генов, которые кодируют две составляющие: стабильный токсин и неустойчивый антитоксин, который ограничивает летальное действие токсина.

Сегодня известно, что модули ТАС широко распространены у микроорганизмов. Эти модули были первоначально открыты на внехромосомных элементах, плазмидах Escherichia coli [Engelberg-Kulka et al., 2002, 2006; Erental et al., 2012]. Было выявлено, что плазмиды

несут ответственность за эффект постсегрегационного убийства бесплазмидных клеток. Если бактериальная клетка теряет плазмиду (или другой внехромосомной элемент), она убивается стабильным токсином в результате быстрой деградации нестабильного антидота с помощью специфически контролируемой организмом-хозяином протеазы [39, 41, 114].

Почти все бактерии и многие археи содержат гены, которые экспрессируют токсины, ингибиру-ют рост клеток и вызывают их гибели по механизму, напоминающему апоптоз у высших эукариот. Клеточными мишенями этих токсинов являются репликация ДНК, стабильность мРНК, синтез белка, биосинтез клеточной стенки и АТФ. Экспрессия этих токсинов и их нейтрализация регулируются соответствующим антитоксином. Антитоксины более лабильны, чем токсины, и легко распадаются в условиях стресса, позволяя токсинам оказывать свое токсическое действие [139].

Таким образом, клетка становится как бы зависимой от короткоживущего антитоксина, синтез которого имеет большое значение для поддержания стабильности клеточного состава микробной популяции [41]. В нормальных условиях существования антитоксин и токсин транскрибируются и транслируются вместе, что приводит к образованию биологически инертного модуля TAC.

В дальнейшем было показано, что ТАС связана и с бактериальными хромосомами [29, 52, 94, 139], обеспечивая бактериальную устойчивость к конкретным экологическим стрессам. Недавние генетические исследования показали, что эти модули тесно связаны с вирулентностью микроорганизмов. De la Cruz et al. (2013), используя в качестве модели Salmonella typhimurium, показали, что ТАС помогает бактериям преодолеть стрессовые состояния, возникающие при колонизации организма-хозяина, и сохранить вирулентность [29].

Каждый из этих модулей состоит из пары генов. В целом, ген токсина транскрибируется на низких уровнях и кодируется как относительно нестабильный короткоживущий белок. Высокоуровневая транскрипция антидотгена в клетках, соответственно, обеспечивает неактивное состояние токсина [41].

К настоящему времени описано пять типов ТАС. В I и III типах антитоксин представляет собой молекулу РНК, которая либо регулирует экспрессию генов токсина (тип I), либо образует комплекс с белком токсина и ингибирует его активность (тип III) [43].

Модули типа II широко распространены у прокариот. Проведенный в 2009 г. геномный анализ 750 геномов архей и бактерий позволил обнаружить ранее не замеченные белковые семейства, которые оказались гомологичными токсинам и антитоксинам II типа, и выявить их исключительную мобильность [87]. Комплексный поиск в 2181 геномах

прокариот обнаружил более 10000 н. п., которые были сгруппированы в супер-семейства токсина (12) и антитоксина (20) [79]. Тем не менее, обстоятельства, при которых активизируются модули TAC и обеспечивают бактериальную устойчивость к стрессам, остаются мало изученными.

В 2012 г. Н. Masuda et al. и Х. Wang et al. были описаны IV и V типы ТАС, в которых антитоксин ингибировал активность токсина либо путем вмешательства в его связывание с мишенью (тип IV) [91], либо путем расщепления конкретно мРНК токсина (тип V) [132].

В результатах исследований, опубликованных в 2005 г., установлено, что модули TAC имеются у прокариот, обитающих во внешней среде, но гораздо реже - у облигатных микроорганизмов, связанных с организмом-хозяином [105]. Это позволило сделать вывод, что ТАС связана исключительно с устойчивостью к стресс-реакциям, повышающей приспособленность к существованию прокариот в окружающей среде. Тем не менее, в более поздних работах сообщается о присутствии модулей ТАС и у патогенных внутриклеточных бактерий [79] и их значимой связи с патогенностью микроорганизмов [53] (рис. 5).

Рис. 5. Известные типы генетических

Наличие у Escherichia coli, по крайней мере, 33, а у Mycobacterium tuberculosis более 60 модулей ТАС [53] предполагает, что эти системы участвуют не только в нормальной физиологии, но и в патогенно-сти бактерий. Выяснение их клеточной функции и механизмов регулирования имеет решающее значение для понимания стратегий ПГК прокариот в различных условиях стресса [139].

В недавнем исследовании было установлено, что модули TAC оказывают влияние на способность к колонизации мочевого пузыря или почек мыши уропатогенными штаммами Escherichia coli [102]. Таким образом, появляется все больше доказательств того, что модули TAC связаны с бактериальной патогенностью и участвует во взаимодействиях с организмом-хозяином.

Одним из наиболее часто встречающихся модулей и хорошо исследованных в основном на модели Е. coli является хромосомная ТАС mazEF [39, 40], относящаяся к аналогам многочисленных плазмид-ных систем, например, chpAI и chpAK [15, 91], которые кодируют стабильный цитотоксический бе-

модулей зависимости у прокариот

лок с соответствующим лабильным антитоксином. Впоследствии аналогичные системы были обнаружены у других бактерий.

Геном E. coli содержит оперон с двумя генами: mazE и mazF. Ген mazF кодирует стабильный цитотоксический белок MazF, а ген mazЕ - нестабильный антитоксин MazЕ, быстро разрушаемый протеазой. Эти генетические продукты гомологичны белковой системе антитоксин/токсин PemI/PemK (также называемой Kis/Kid), обнаруженной на плазмиде R1 E. coli [118], которые проявляли свойства плазмид-кодированных зависимых модулей. Проведенные в начале XXI века исследования показали, что MazF может ингибировать как инициацию репликации ДНК, так и его трансляцию [15, 107, 112].

Позднее было показано, что ТАС mazEF срабатывает при стрессовых ситуациях, когда при повреждениях ДНК происходит активация MazF, вызывающая деполяризацию мембраны митохондрий [64, 56, 127, 139]. При длительной и избыточной экспрессии MazF индуцируется синтез специфических пептидов, обусловленный активацией

токсина. Эти пептиды, названные внеклеточным фактором смерти (Extracellular Death Factor, EDF), принимают непосредственное участие в так называемом EDF-mazEF-опосредованном пути клеточной гибели в популяции Е. coli, очень напоминающей апоптоз у эукариот [66].

В условиях аминокислотного голодания активируется оперон rel, чей белковый продукт RelA отвечает за синтез GTP-pyrophosphotransferase (ppGpp-синтетазы), увеличение ее внутриклеточного содержания и активацию [8, 40, 63, 56, 139] Это действует как сигнал для блокирования экспрессии обоих генов: антитоксин разрушается, а стабильный белок-токсин MazF вызывает гибель и автолиз части популяции, тем самым пополняя аминокислотный запас. В результате синтез антитоксина MazE вновь активируется у оставшихся живых клеток популяции, а активность токсина ин-гибируется [15, 39, 63].

Дальнейшие исследования выявили, что mazEF-опосредованная клеточная смерть индуцируется искусственно гиперпродукцией ppGpp-синтетазы, показывая, что эта система играет важную роль в ПГК при экстремальном голодании и не только Е. coli [39, 40, 47, 56, 140].

О сложности и неоднозначности функции модулей ТАС в жизненном цикле микроорганизмов и регулировании ПГК свидетельствует определение нескольких неродственных хромосомных и внехромосомных модулей зависимости и пар генов, кодирующих пару антитоксин/токсин подобных mazEF, но менее изученных: chpBIK [91], relBE [23], yefM-yoeB [101], dinJ-yafQ [62, 63] и ecnA-ecnB [52]. Как правило, токсины в указанных модулях представлены белками, которые направлены против конкретных внутриклеточных мишеней, в то время как антитоксины являются либо белками, либо малыми РНК, которые нейтрализуют токсин или ингибируют его синтез [63]. Все указанные системы имеют типичную генетическую организацию со стабильным токсином и нестабильным антитоксином, однако, они не гомологичны и отличаются между собой по аминокислотной последовательности и биохимическому механизму деятельности токсина, вызывающему рибосом-зависимую или рибосом-неза-висимую деградацию мРНК [15, 141].

В то же время оказалось, что многие бактерии имеют один или более гены, кодирующие MazF-подобные токсины [15, 63, 96]. Например, гомологи mazF были обнаружены у S. aureus, Bacillus subtilis, Mycobacterium tuberculosis, Clostridium, Yersinia pestis, Vibrio cholerae, многоклеточных прокариот Myxococcus и других микроорганизмов, кодируемые генами, входящими в состав оперона [48, 58, 75, 99, 106, 110, 117].

Например, локус esnAB, содержащий два гена, ecnA и ecnB, кодирующих липопротеиды, участвующих в формировании клеточных мембран. Этот локус образует связанный токсин-антитоксический «модуль зависимости» и принимает участие в развитии бактериолизиса в стационарной фазе роста микроорганизмов в условиях высокой осмо-лярности (продукт гена ecnA в качестве токсина), а продукт гена ecnB действует в качестве антидота [12, 15, 52, 63]. У В. subtilis аналогичная пара токсин-антитоксин, кодируемая локусом spoIIS, организована подобным же образом [7]. В продукте гена локуса spoIISA, по-видимому, содержатся три трансмембранных сегмента в N-терминальной зоне белков, расположенных в цитоплазме, а продукт гена spoIISB представляет собой относительно небольшой, положительно заряженный цито-зольный белок. В отсутствие SpoIISB-кодируемого белка-антидота в клетках индуцируется синтез SpoIISA-летального токсина, который вскоре повреждает клеточные мембраны. Кроме того, индуцированная активация SpoIISA при экспоненциальном росте клеток приводит к тому же эффекту и гибели клеток [7, 15, 112, 139].

Тот факт, что оба локуса, по-видимому, являются уникальными для соответствующего вида микроорганизмов, в которых они были охарактеризованы, предполагает, что эти апоптоз-ассоциируемые системы, возможно, эволюционировали в этих организмах для выполнения конкретных функций, связанных с апоптозом.

Гибель клеток при участии mazEF также может быть вызвана антибиотиками, которые подавляют транскрипцию, например, рифампицином, хлорамфениколом и спектиномицином [72; 112]. Присутствие этих антибиотиков в клетке вызывает уменьшение содержания антитоксина и, соответственно, повышение активности белка-токсина MazF [15, 72; 75]. В mazEF-ассоциированных геномах было выявлено наличие гомологии у многих грамположительных и грамотрицательных бактерий [15, 39, 63, 96, 139].

Интересно, что оперон mazEF расположен сразу перед локусом аВ, который кодирует компоненты (аВ)-опосредующие реакции на стресс [75]. Исследования локуса аВ в геноме S. aureus выявили, что кодирующий mazF ген может быть транскрибирован соответствующим опероном в условиях теплового стресса [51]. Таким образом, эти наблюдения позволяют предположить, что mazEF-система может вызвать ПГК у грамположительных и грамотрица-тельных бактерий в ответ на стресс, связанный, в том числе, с температурным фактором, ограничением питания и влиянием антибиотиков.

Как показали исследования [107, 124], в качестве альтернативы ПГК у бактерий, MazF

(ChpAK) индуцирует бактериостаз E. coli, являющийся в отличие от гибели обратимым процессом, благодаря антитоксину (ChpAI). Биологическим значением этого феномена является защита клетки от длительного голодания или существования в суровых природных условиях [107]. В свое время, альтернативным объяснением значения кодирования модулей ТАС была предложена система, вовлеченная в процесс регулирования синтеза белка в условиях стресса, вызванного голоданием клетки [42, 107, 124, 128].

Этими же авторами было отмечено, что в проведенных экспериментах, при указанных условиях, экспрессия MazE и MazF не является имитацией способа, которым эти белки обычно продуцируются в клетке. В частности, когда содержание MazE (антитоксина) было искусственно увеличено, синтез MazF (токсина) тормозился. При этом, собственный MazE постоянно деградировал и, следовательно, присутствовал в клетке в небольшом количестве [42, 188].

Антибиотики как триггеры программированной гибели прокариот

Стратегия ПГК часто используется прокариотами, когда бактерии подвергается воздействию антибиотиков. Антибиотик повреждает бактерии, индуцируя аутолиз клеточной стенки. Это процесс самопереваривания клеточной стенки происходит с помощью аутолизинов (гидролазы пептидогликана). Однако в клеточном сообществе всегда существуют клетки, которые являются дефектными в способности реализации стратегии ПГК и не обладают соответствующим потенциалом. Следовательно, при введении антибиотиков, механизм действия которых направлен на инициацию апоптоза в бактериальной клетке, эти бактерии будут оставаться жизнеспособными. Это может сыграть свою роль в развитии антибиотико-устойчивых штаммов бактерий, а также возникновения угрозы опасного развития инфекционного процесса. Этот фактор необходимо особенно учитывать в лечебных учреждениях, где пациенты с бактериальными инфекциями получают антибиотикотерапию [80, 132].

Несмотря на то, что биологические свойства большинства антибиотиков были хорошо охарактеризованы, до сих пор окончательно не известны механизмы взаимодействия антибиотиков и микроорганизмов при инициации клеточной смерти. В начале XXI века была предложена теория, согласно которой такие антибиотики, как пенициллин и ванкомицин, вызывают нарушение регуляции аутолитической активности бактерий, что фактически является проявлением бактериальной ПГК [17, 72, 74, 80, 140].

Один из таких механизмов продемонстрировали D.J. Dwyer et al., (2007). Они показали, что при изучении механизма бактерицидного воздействия на E. coli b-лактамов (ампициллин), фторхино-лонов (норфлоксацин) и аминогликозидов (ген-тамицин) наблюдались изменения в клеточном метаболизме, которые стимулировали генерацию активных форм кислорода, играющих, как известно, важнейшую роль регуляторов клеточной смерти у многоклеточных и одноклеточных эукариот [42]. Авторами было показано, что оксидативный стресс индуцировал апоптоз также и у микроорганизмов. При этом ПГК сопровождалась характерными морфологическими признаками апоптоза: фрагментацией ДНК, конденсацией хроматина, деполяризацией митохондриальных мембран, снижением мембранного потенциала [23, 42, 36, 127]. Эти результаты подтверждают и другие работы по этой же теме [36, 42, 72]. В недавней работе D.J. Dwyer et al., (2012) был выявлен и охарактеризован многофункциональный белок RecA, который, как выяснилось, играет решающую роль в апоптоз-подобной смерти E. coli [36].

В этот же период появилась гипотеза, которая привлекла к себе внимание. Она состоит в том, что двухкомпонентная система передачи сигнала, VncR/S, является триггером ПГК в ответ на воздействие антибиотиков на S. pneumoniae [71]. Это двухкомпонентная система изначально была изучена у мутантов S. pneumoniae при исследовании толерантности к пенициллину. При характеристике мутантов, дефектных по гену vncS, кодирующему, предположительно, гистидин-киназу, выяснилось, что кроме толерантности к пенициллину, этот мутант характеризовался и толерантностью к широкому спектру антибиотиков [60]. Интересно, что инактивация гена vncR происходила регулятором, не имеющим специфических фенотипических признаков [19, 42, 60, 74, 138, 141].

Несмотря на эти, казалось бы, противоположные выводы, результаты проведенных исследований указывают на то, что указанная двухком-понентная система регулирования ПГК является частью пути передачи сигналов, ведущих к анти-биотико-индуцированной гибели клеток. Последующие исследования этой системы показали, что небольшой фрагмент оперона (or/), расположенный непосредственно перед vncRS, кодирует пептид, состоящий из 27 аминокислот (Pep27), который был обнаружен в цитоплазме и супернатанте дикого штамма S. pneumoniae [42]. Оказалось, что добавление синтезированного пептида Pep27 к культуре S. pneumoniae с нокаутированным фрагментом оперона orf вызывает потерю жизнеспособности бактерий и снижение их толерантности к нескольким антибиотикам [42, 60]. В то же вре-

мя, гиперэкспрессия VncS вызывала ингибиро-вание автолиза с помощью, предположительно, VncS-негативного регулятора [71]. На основании этих результатов было предположено, что Pep27 является «сигнальным пептидом смерти» и что он каким-то образом взаимодействует с мембранной гистидин-киназой VncS в ответ на воздействие антибиотиков [60, 71].

Однако есть данные, которые ставят под сомнение роль VncRS и Pep27 в антибиотик-индуцирован-ной гибели клеток [115]. В отличие от результатов, упомянутых выше, точечные мутации в vncS, vncR, vex3 или pep27 в трех различных генетический фрагментах S. pneumoniae, как оказалось, не изменяют литический ответ на ванкомицин [19, 36, 115]. VncS-мутанты дикого штамма (S. pneumoniae) не обладают толерантностью к ванкомицину, но проявляют чувствительность к другим классам антибиотиков, вызывающих аутолиз [Robertson et al., 2009]. Кроме того, в этих исследованиях синтетические Pep27 не вызывали аутолиз или утрату жизнеспособности у микроорганизмов. В совокупности, эти выводы ставят под сомнение ранние сообщения, что Pep27 и VncS/R обладают системными функциями, выступая в качестве эффекторов самоиндуцированной клеточной гибели [36, 115].

Заключение

Таким образом, бактериальные клетки обладают потенциалом для реализации стратегий ПГК по механизмам, которые аналогичны и для клеток эука-риот. В настоящее время накоплено большое количество как морфологических, так и молекулярных доказательств, указывающих на существование ПГК у бактерий как ответ на различные стрессор-ные стимулы и представляющих собой процессы определенной последовательности. Тем не менее, в этой области исследований постоянно открываются новые стратегии, которые могут быть рассмотрены в контексте генетически регулируемой самоиндуцированной клеточной гибели.

Рассмотренные морфологические, биохимические и генетические признаки ПГК у прокариот имеют важнейшие эволюционные последствия. Принимая во внимание ключевую роль митохондрий в механизмах апоптоза у организмов-эукариотов, можно предположить, что эукарио-тический апоптоз эволюционировал в процессе симбиоза, когда прокариотические протомито-хондрии внедрились в примитивные протоэука-риотические клетки [127].

Этот биологический процесс предполагает, что эукариоты должны были разработать механизм, который позволил бы избежать лизиса протомитохон-дрий. Эволюционное развитие и совершенствование этого механизма привело к формированию путей и

форм борьбы с внешними стрессорами организмов-эукариот с активным использованием митохондри-альных прекурсоров.

Следовательно, филогенетическое объяснение происхождения ПГК лежит в плоскости развития системы управления клеточной гибелью (с мито-хондриальной пермеабилизацией в качестве центрального механизма), а также комплекса её регулирования. Парадоксально, но в данном случае оказывается, что поддержанию эволюционного прогресса и экологического баланса и, в конечном счете, созданию самой жизни эукариот, возможно, способствовало появление генетически регулируемой смерти прокариот.

Отвечая на вопрос о целесообразности этого феномена для одноклеточных микроорганизмов, следует помимо альтруистического самоубийства больных или поврежденных клеток следует рассматривать и другие целевые моменты: обеспечение питания собратьям по колонии в условиях голода, помощь в процессе генетической рекомбинации, например, при формировании штаммов бактерий, устойчивых к антибиотикам.

В 2012 г. международный Номенклатурный Комитет по клеточной смерти (Nomenclature Committee on Cell Death, NCCD) на основании существенного прогресса, достигнутого в последние годы в биохимических и молекулярно-генетических исследованиях клеточной смерти, принял решение о выделении 12 различных форм ПГК: апоптоз, аутофагия, митоптоз, некроз, некроптоз, нетоз, онкоз, пироптоз, аноикис и паронекроз [48].

Однако по-прежнему остаются вопросы: (i) не являются ли эти формы лишь различными физиологическими механизмами особенности одного и того же биологического феномена и (ii) в какой степени это многообразие форм ПГК характерно для клеток прокариот?

Дальнейшее изучение этих вопросов может стать стимулом к новым разработкам в клинической медицине, включая методы контроля и управления бактериальными инфекциями, и имеет большие значение для более глубокого понимания жизненного цикла прокариот.

ЛИТЕРАТУРА

1. Абатуров А.Е., Волосовец А.П., Юлиш Е.И. Роль NOD-подобных рецепторов в рекогниции па-тоген-ассоциированных молекулярных структур инфекционных патогенных агентов и развитии воспаления. Здоровье ребенка (Украина), 2013; 4(47): 7-13.

Abaturov A.E., Volosovec A.P., YUlish E.I. Rol> NOD-podobnyh receptorov v rekognicii patogen-associirovannyh molekulyarnyh struktur infekcionnyh patogennyh agentov i razvitii vospaleniya. Zdorov>e rebenka (Ukraina), 2013; 4(47): 7-13. Russian.

2. Андрюков Б.Г., Сомова Л.М., Тимченко Н.Ф. Стратегии программированной клеточной гибели у прокариот // Инфекция и иммунитет. 2015. Т. 5. № 1. С. 15-26.

Andryukov B.G., Somova L.M., Timchenko N.F. Strategii programmirovannoj kletochnoj gibeli u prokariot // Infekciya i immunitet. 2015. T. 5. № 1. S. 15-26. Russian.

3. Андрюков Б.Г., Тимченко Н.Ф. Апоптозмо-дулирующие стратегии детерминант вирулентности иерсиний // Здоровье. Медицинская экология. Наука. 2015. №1(59). С. 29-41.

Andryukov B.G., Timchenko N.F. Apoptoz-moduliruyushchie strategii determinant virulentnosti iersinij // Zdorov>e. Medicinskaya ehkologiya. Nauka. 2015. №1(59). S. 29-41. Russian.

4. Гордеева А. В., Лабас Ю. А., Звягильская Р. А. Апоптоз одноклеточных организмов: механизмы и эволюция // Биохимия, 2004; 10(69): 1301-13.

Gordeeva A. V., Labas YU. A., Zvyagil>skaya R. A. Apoptoz odnokletochnyh organizmov: mekhanizmy i ehvolyuciya // Biohimiya, 2004; 10(69): 1301-13. Russian.

5. Сомова Л.М., Бузолева Л.С., Исаченко А.С., Сомов Г.П. Адаптивные ультраструктурные изменения бактерий Yersinia pseudotuberculosis при обитании в почве // Журн. микробиол., эпидемиол. и им-мунобиол. 2006. №3. С. 36-40.

Somova L.M., Buzoleva L.S., Isachenko A.S., Somov G.P. Adaptivnye ubtrastrukturnye izmeneniya bakterij Yersinia pseudotuberculosis pri obitanii v pochve // ZHurn. mikrobiol., ehpidemiol. i immunobiol. 2006. №3. S. 36-40. Russian.

6. Сомова Л.М., Бузолева Л.С., Плехова Н.Г. Ультраструктура патогенных бактерий в разных экологических условиях. Владивосток, Медицина ДВ, 2009. 200 с.

Somova L.M., Buzoleva L.S., Plekhova N.G. Ul>trastruktura patogennyh bakterij v raznyh ehkologicheskih usloviyah. Vladivostok, Medicina DV, 2009. 200 s. Russian.

7. Acwad S., Alharbi A.E., Alshami I. Exposure of vancomycin-sensitive Staphylococcus aureus to subinhibitory levels of vancomycin leads toupregulated capsular gene expression. Br J Biomed Sci. 2013; 70(2): 58-61.

8. Adler E., Barak I., Stragier P. Bacillus subtilis locus encoding a killer protein and its antidote. J. Bacteriol., 2001; 183: 3574-81.

9. Aizenman E., Engelberg-Kulka H., Glaser G. An Escherichia coli chromosomal 'addiction module' regulated by guanosine 3',5'-bispyrophosphate: a model for programmed bacterial cell death. Proc Natl Acad Sci USA, 1996; 93: 6059-63.

10. Aguilo N., Marinova D., Martin C., Pardo J. ESX-1-induced apoptosis during mycobacterial

infection: to be or not to be, that is the question. Front Cell Infect. Microbiol., 2013; 3: 80-8.

11. Allocati N., Masulli M., Di Ilio C., De Laurenzi V. Die for the community: an overview of programmed cell death in bacteria. Cell Death and Disease. 2015. 6. e1609; doi:10.1038/cddis.2014.570

12. Ameisen J.C. The Origin and Evolution of Programmed Cell Death, 2009; 9: 367-93.

13. Baumann S., Krueger A., Kirchhoff S., Krammer P.H. Regulation of T cell apoptosis during the immune response. Curr. Mol. Med., 2002; 2: 257-72.

14. Bishop R.E., Leskiw B.K., Hodges R.S., Kay C.M., Weiner J.H. The entericidin locus of Escherichia coli and its implications for programmed bacterial cell death. J. Mol. Biol., 1998; 280(4): 583-96.

15. Bos J., Yakhnina A.A., Gitai Z. BapE DNA endonuclease induces an apoptoticlike response to DNA damage in Caulobacter. Proc. Natl, Acad, Sci, USA, 2012;109:18096-101.

16. Bröker L.E., Kruyt F.A., Giaccone G. Cell death independent of caspases: a review. Clin Cancer Res., 2005; 11(9): 3155-62.

17. Buts L., Lah J., Minh-Hoa Dao-Thi, Wyns L., Loris R. Toxin-antitoxin modules as bacterial metabolic stress managers. Trends in Biochemical Sciences, 2005; 30(12): 672-9.

18. Cabon L., Martinez-Torres A.C., Susin S.A. Programmed cell death comes in many flavors. Med. Sci. (Paris), 2013; 29(12): 1117-24.

19. Camacho D.M., Kohanski M.A., Callura J.M., Collins J.J. Antibiotic-induced bacterial cell death exhibits physiological and biochemical hallmarks of apoptosis. Mol. Cell, 2012; 46(5): 561-72.

20. Camougrand N., Kissova I., Velours G., Manon S. Uth1p: a yeast mitochondrial protein at the crossroads of stress, degradation and cell death. FEMS Yeast Res., 2004; 5(2): 133-40.

21. Carmona-Gutierrez D., Eisenberg T., Buttner S., Meisinger C., Kroemer G., Madeo F. Apoptosis in yeast: triggers, pathways, subroutines. Cell Death Differ, 2010; 17: 763-73.

22. Cellini L., Robuffo I., Maraldi N.M., Donelli G. Searching the point of no return in Helicobacter pylori life: necrosis and/or programmed death? J Appl. Microbiol. 2001; 90: 727-32.

23. Chatterjee I., Neumayer D., Herrmann M. Senescence of staphylococci: using functional genomics to unravel the roles of ClpC ATPase during late stationary phase. Int. J. Med. Microbiol., 2010; 300(2-3): 130-6.

24. Chaumorcel M., Lussignol M., Mouna L., et al. The human cytomegalovirus protein TRS1 inhibits autophagy via its interaction with Beclin 1. J. Virol., 2012; 86(5): 2571-84.

25. Christensen M.E., Jansen E.S., Sanchez W. et al. Flow cytometry based assays for the measurement of apoptosis-associated mitochondrial membrane

depolarisation and cytochrome c release. Methods, 2013; 61(2): 138-45.

26. Cebollero E., Rejas M.T., González R. Autophagy in wine making. Methods Enzymol., 2008; 451: 163-75.

27. Cookson B.T., Brennan M.A. Proinflammatory programmed cell death. Trends in Microbiology, 2001; 9(3): 113-4.

28. D>Amelio M., Sheng M., Cecconi F. Caspase-3 in the central nervous system: beyond apoptosis. Trends Neurosci., 2012; 35(11): 700-9.

29. Danial N.N., Korsmeyer S.J. Cell death: critical control points. Cell, 2004; 116(2): 205-19.

30. Danelishvili L., Bermudez L.E. Analysis of pyroptosis in bacterial infection. Methods Mol. Biol., 2013; 1004: 67-73.

31. De la Cruz M. A., Zhao W., Farenc C. et al. A Toxin-Antitoxin Module of Salmonella Promotes Virulence in Mice. PLoS pathogens, 2013; 9(12): e1003827.

32. Declercq W., Vanden-Berghe T., Vandenabeele P. RIP kinases at the crossroads of cell death and survival. Cell, 2009; 138(2): 229-32.

33. Deleo V. Modulation of phagocyte apoptosis by bacterial pathogens. Apoptosis (London), 2004; 9: 399-413.

34. Denton D., Aung-Htut M.T., Kumar S., Baehrecke E.H. Developmentally programmed cell death in Drosophila. Biochim. Biophys. Acta. 2013; 1833(12): 3499-506.

35. Denton D., Chang T.K., Nicolson S. et al. Relationship between growth arrest and autophagy in midgut programmed cell death in Drosophila. Cell Death Differ., 2012; 19(8): 1299-307.

36. Djavaheri-Mergny M., Maiuri M.C., Kroemer G. Cross talk between apoptosis and autophagy by caspase-mediated cleavage of Beclin 1. Oncogene, 2010; 29(12): 1717-19.

37. Dunin-Horkawicz S., Kopec K.O., Lupas A.N. Prokaryotic ancestry of eukaryotic protein networks mediating innate immunity and apoptosis. J. Mol. Biol., 2014; 426(7): 1568-82.

38. Dwyer D.J., Winkler J.A. Identification and characterization of programmed cell death markers in bacterial models. Methods Mol. Biol. 2013; 1004 (1); 145-59

39. Eckardt J., Lorek M., Zimmer G. The Fusion Protein of Respiratory Syncytial Virus Triggers p53-Dependent Apoptosis. J. Virol., 2008; 82(7): 3236-49.

40. Emilia M., Sordillo S.F. Helicobacter pylori and apoptosis. Methods in Enzymology, 2002; 358: 319-34.

41. Engelberg-Kulka H., Amitai Sh., Kolodkin-Gal I., Hazan R. Bacterial Programmed Cell Death and Multicellular Behavior in Bacteria. PLoS Genet., 2006; 2(10): e135.

42. Engelberg-Kulka H., Sat B., Hazan R. Bacterial programmed cell death and antibiotics. Am. Soc. Microbiol. Newsl., 2002; 67: 617-24.

43. Erental A., Idith Sh. I., Engelberg-Kulka H. Two Programmed Cell Death Systems in Escherichia coli: An Apoptotic-Like Death Is Inhibited by the mazEF-Mediated Death Pathway. PLoS biology, 2012; 10(3): e1001281.

44. Farzana A., Margaret L., Iannelli F. et al. Streptococcus pneumonia-associated human macrophage apoptosis after bacterial Internalization via complement and fcy-receptors correlates with intracellular bacterial load. J.Infect. Dis. (Online. University of Chicago Press), 2003; 188: 1119-31.

45. Fineran P.C., Blower T.R., Foulds I.J., Humphreys D.P., Lilley K.S. The phage abortive infection system, toxin, functions as a protein-RNA toxin-antitoxin pair. Proc. Natl. Acad. Sci., USA, 2009; 106: 894-9.

46. Fink S.L., Cookson B.T. Apoptosis, Pyroptosis, and Necrosis: Mechanistic Description of Dead and Dying Eukaryotic Cells. Infect. Immun., 2005; 73(4): 1907-16.

47. Fink S.L., Cookson B.T. Caspase-1-dependent pore formation during pyroptosis leads to osmotic lysis of infected host macrophages. Cell Microbiol., 2006; 8(11): 1812-25.

48. Fleury C., Pampin M., Tarze A., Mignotte B. Yeast as a model to study apoptosis? Biosci. Reports, 2002; 22: 59-79.

49. Fortuin S. Mycobacterium tuberculosis proteome in response to the development of drug resistance: Dissertation presented for the degree of Doctor of Philosophy in Medical Sciences (Molecular Biology). Stellenbosch University, 2013.

50. Galluzzi L., Vitale I., Abrams J.M. Molecular definitions of cell death subroutines: recommendations of the Nomenclature Committee on Cell Death 2012. Cell Death and Differentiation, 2012; 19: 107-120.

51. Galluzzi L., Kepp O., Krautwald S. et al. Molecular mechanisms of regulated necrosis. Semin. Cell Dev. Biol., 2014; 35: 24-32.

52. Gautam S., Sharma A. Rapid cell death in Xanthomonas campestris pv. glycines. J. Gen. Appl. Microbiol., 2002; 48(2): 67-76.

53. Gertz S., Engelmann S., Schmid R., Ohlsen K., Hacker J., Hecker M. Regulation of oB-dependent transcription of sigB and asp23 in two different Staphylococcus aureus strains. Mol. Gen. Genet., 1999; 261: 558-66.

54. Gerdes K., Maisonneuve E. Bacterial persistence and toxin-antitoxin Loci. Annu Rev. Microbiol., 2012; 66: 103-23.

55. Georgiades K., Raoult D. Genomes of the most dangerous epidemic bacteria have a virulence repertoire characterized by fewer genes but more toxin-antitoxin modules. PLoS ONE, 2011; 8(6): e17962.

56. Giansanti V., Tillhon M., Mazzini G., Prosperi E., Lombardi P., Scovassi A.I. Killing of tumor cells:

a drama in two acts. Biochem. Pharmacol. 2011; 82: 1304-10.

57. Giansanti V., Torriglia A., Scovassi A.I. Conversation between apoptosis and autophagy: «Is it your turn or mine?». Apoptosis, 2011; 16(4): 321-33.

58. Godoy V.G., Jarosz D.F, Walker F.L, Simmons L.A, Walker G. Y-family DNA polymerases respond to DNA damage-independent inhibition of replication fork progression. EMBO J., 2006; 25: 868-79.

59. Gómez-Fernández J.C. Functions of the C-terminal domains of apoptosis-related proteins of the Bcl-2 family. Chem. Phys. Lipids. 2014; 183: 77-90.

60. Goulard C., Langrand S., Chauvaux S. Yersinia pestis Chromosome Encodes Active Addiction Toxins. J. Bacteriol., 2010; 192(14): 3669-77.

61. Green D.R., Oberst A., Dillon C.P., Weinlich R., Salvesen G.S. RIPK-dependent necrosis and its regulation by caspases: a mystery in five acts. Mol. Cell, 2011; 44(1): 9-16.

62. Guilhelmelli F., Vilela N., Albuquerque P., Derengowski L.D., Silva-Pereira I., Kyaw C.M. Antibiotic development challenges: the various mechanisms of action of antimicrobial peptides and of bacterial resistance. Front Microbiol., 2013; 4: 353.

63. Guiral S., Mitchell T.J., Martin B., Claverys J.P. Competence-programmed predation of noncompetent cells in the human pathogen Streptococcus pneumoniae: genetic requirements. Proc. Natl. Acad. Sci., USA, 2005; 14: 8710-5.

64. Hayes F. Toxins-antitoxins: plasmid maintenance, programmed cell death, and cell cycle arrest. Science, 2003; 301(5639): 1496-9.

65. Hayes F., Van Melderen L. Toxins-antitoxins: diversity, evolution and function. Crit. Rev. Biochem. Mol. Biol., 2011; 46(5): 386-408.

66. Hazan R., Sat B. Engelberg-Kulka H. Escherichia coli mazEF-mediated cell death is triggered by various stressful conditions. J Bacteriol. 2004; 186: 3663-9.

67. Hochman, A. Programmed cell death in prokaryotes. Crit. Rev. Microbiol., 1997; 23: 207-14.

68. Hotchkiss R.S, Strasser A., McDunn J.E, Swanson P.E. Cell death. N. Engl. J. Med., 2009; 361: 1570-83.

69. Kamat P.K., Kalani A., Kyles P., Tyagi S.C., Tyagi N. Autophagy of Mitochondria: A Promising Therapeutic Target for Neurodegenerative Disease. Cell Biochem. Biophys., 2014; 70(2): 707-19.

70. Kang J., Pervaiz S. Crosstalk between Bcl-2 family and Ras family small GTPases: potential cell fate regulation? Front Oncol., 2013; 2: 206.

71. Kerr J.F., Wyllie A.H., Currie A.R. Apoptosis: a basic biological phenomenon with wideranging implications in tissue kinetics. Brit. J. Cancer, 1972; 26: 239-57.

72. Klionsky D.J., Codogno P. The mechanism and physiological function of macroautophagy. J. Innate Immun., 2013; 5(5): 427-33.

73. Koch C.C., Esteban D.J., Chin A.C. et al. Apoptosis, oxidative metabolism and interleukin-8 production in human neutrophils exposed to azithromycin: effects of Streptococcus pneumoniae. J Antimicrob. Chemother., 2000; 46(1): 19-26.

74. Kolodkin-Gal I., Sat B., Keshet A., Engelberg-Kulka H. The communication factor EDF and the toxin-antitoxin module mazEF determine the mode of action of antibiotics. PLoS Biol., 2008; 16(6): e319.

75. Koonin E.V., Aravind L. Origin and evolution of eukaryotic apoptosis: the bacterial connection. Cell death Differ. 2002; 9(4): 394-404.

76. Krämer O.H. HDAC2: a critical factor in health and disease. Trends Pharmacol. Sci., 2009; 30: 647-55.

77. Kullik I., Giachino P., Fuchs T. Deletion of the alternative sigma factor oB in Staphylococcus aureus reveals its function as a global regulator of virulence genes. J. Bacteriol., 1998; 180: 4814-20.

78. Kusters J.G., Gerrits M.M., Van Strijp J.A., Vandenbroucke-Grauls C.M. Coccoid forms of Helicobacter pylori are the morphologic manifestation of cell death. Infect. Immun., 1997; 65: 3672-9.

79. Kyung-Doo Han, Do-Hwan Ahn, Seung-A Lee, et al. Identification of Chromosomal HP0892-HP0893 Toxin-Antitoxin Proteins in Helicobacter pylori and Structural Elucidation of Their Protein-Protein Interaction. J. Biol. Chem., 2013; 288(8): 6004-13.

80. Labbe K., Saleh M. Cell death in the host response to infection. Cell Death Differ, 2008; 15(9): 1339-49.

81. Leplae R., Geeraerts D., Hallez R., Guglielmini J., Dreze P. Diversity of bacterial type II toxin-antitoxin systems: a comprehensive search and functional analysis of novel families. Nucleic Acids Research, 2011; 39: 5513-25.

82. Lewis K. Programmed death in bacteria. Microbiol. Mol. Biol. Rev., 2002; 64: 503-14.

83. Loewith R., Hall M.N. Target of Rapamycin (TOR) in Nutrient Signaling and Growth Control. Genetics, 2011; 189(4): 1177-201.

84. van Loo G., Saelens X., van Gurp M., MacFarlane M., Martin S.J., Vandenabeele P. The role of mitochondrial factors in apoptosis: a Russian roulette with more than one bullet. Cell Death Differ. 2002; (9): 1031-42.

85. Ludovico P. Overeating yeast display fatty acidinduced necrotic cell death. Cell Cycle, 2010; 9(15): 2929.

86. Ludovico P., Madeo F., Silva M. Yeast programmed cell death: an intricate puzzle. IUBMB Life, 2005; 57(3): 129-35.

87. Madeo F., Herker E., Wissing S., Jungwirth H., Eisenberg T., Frohlich K.U. Apoptosis in yeast. Curr. Opin. Microbiol., 2004; 7(6): 655-60.

88. Majewski N., Noqueira V., Bhaskar P., Coy P.E., Skeen J.E., Gottlob K., Chandel N.S., Thompson C.B., Robey R.B., Hay N. Hexokinase-mitochondria interaction mediated by Akt is required to inhibit apoptosis in the presence or absence of Bax and Bak. Mol. Cell, 2004: 16: 819-30.

89. Makarova K.S., Wolf Y.I., Koonin E.V. Comprehensive comparative-genomic analysis of type 2 toxin-antitoxin systems and related mobile stress response systems in prokaryotes. Biol. Direct., 2009; 4: 11-9.

90. Manteca A., Fernandez M., Sanchez J. Cytological and biochemical evidence for an early cell dismantling event in surface cultures of Streptomyces antibioticus. Res. Microbiol., 2006; 157(2): 143-52.

91. Marino M L., Pellegrini P., Di Lernia G., et al. Autophagy is a protective mechanism for human melanoma cells under acidic stress. J. Biol. Chem., 2012; 287(36): 30664-76.

92. Marino G., Mireia Niso-Santano M., Eric H. Baehrecke E., Kroemer G. Self-consumption: the interplay of autophagy and apoptosis. Nature Rev. Mol. Cell Biol., 2014; 15: 81-94.

93. Masuda H., Tan Q., Awano N., Wu K.P., Inouye M. YeeU enhances the bundling of cytoskeletal polymers of MreB and FtsZ, antagonizing the CbtA (YeeV) toxicity in Escherichia coli. Mol. Microbiol., 2012; 84: 979-89.

94. Mavrianos J., Berkow E.L., Desai C. et al. Mitochondrial two-component signaling systems in Candida albicans. Eukaryot. Cell. 2013; 12(6):913-22.

95. Menaker R.J., Jones N.L. Fascination with bacteria-triggered cell death: the significance of Fasmediated apoptosis during bacterial infection in vivo. Microbes and infection, 2003; 5(12): 1149-58.

96. Miguelez E.M., Hardisson C., Manzanal M.B. Hyphal death during colony development in Streptomyces antibioticus: morphological evidence for the existence of a process of cell deletion in a multicellular prokaryote. J. Cell. Biol., 1999; 145: 515-25.

97. Mimuro H., Koyasu S., Haas R. et al. Helicobacter pylori Dampens Gut Epithelial Self-Renewal by Inhibiting Apoptosis, a Bacterial Strategy to Enhance Colonization of the Stomach. Cell Host Microbe A., 2007; 2(4): 250-63.

98. Mittenhuber G. Occurrence of mazEF-like antitoxin/toxin systems in bacteria. J. Mol. Microbiol. Biotechnol., 1999; 1: 295-302.

99. Moro L., Arbini A.A., Yao J.L. et al. Mitochondrial DNA depletion in prostate epithelial cells promotes anoikis resistance and invasion through activation of PI3K/Akt2. Cell Death Differ, 2009. 16(4): 571-83.

100. Nancy A. Eukaryote Programmed Cell Death in Plants: A Role for Mitochondrial-Associated Hexokinases. Plant Cell, 2006; 18: 2097-9.

101. Nariya H., Inouye M. MazF, an mRNA interferase, mediates programmed cell death during multicellular Myxococcus development. Cell, 2008; 32: 55-66.

102. Ning S.B., Guo H.L., Wang L., Song Y.C. Salt stress induces programmed cell death in prokaryotic organism Anabaena . J. Appl. Microbiol., 2002; 93:15-28.

103. Nolle N., Schuster C.F., Bertram R. Two paralogous yefM-yoeB loci from Staphylococcus equorum encode functional toxin-antitoxin systems. Microbiology, 2013; 159(8):1575-85.

104. Norton J.P., Mulvey M.A. Toxin-antitoxin systems are important for niche-specific colonization and stress resistance of uropathogenic Escherichia coli. PLoS Pathog., 2012; 8: e1002954.

105. Nystrom T. Nonculturable bacteria: programmed survival forms or cells at death>s door? Bioessays, 2003; 25: 204-11.

106. Orrenius S., Nicotera P., Zhivotovsky B. Cell death mechanism and implications in toxicology. Toxicol. Sci., 2011; 119(1): 3-19.

107. Pandey D.P., Gerdes K. Toxin-antitoxin loci are highly abundant in free-living but lost from host-associated prokaryotes. Nucleic Acids Research, 2005; 33: 966-76.

108. Park J.H., Yamaguchi Y., Inouye M. Bacillus subtilis MazF-bs (EndoA) is a UACAU-specific mRNA interferase. FEBS Lett., 2011; 585: 2526-32.

109. Pedersen K., Christensen S.K., Gerdes K. Rapid induction and reversal of a bacteriostatic condition by controlled expression of toxins and antitoxins. Mol. Microbiol., 2002; 45: 501-10.

110. Philip N.H., Dillon C.P., Snyder A G. et al. Caspase-8 mediates caspase-1 processing and innate immune defense in response to bacterial blockade of NF-kB and MAPK signaling. Proc. Natl. Acad. Sci., USA, 2014; 111(20): 7385-90.

111. Port U., Brovkin V., Claussen M. The influence of vegetation dynamics on anthropogenic climate change. Earth Syst. Dynam., 2012; 3: 233-43.

112. Ramage H.R., Connolly L.E., Cox J.S. Comprehensive functional analysis of Mycobacterium tuberculosis toxin-antitoxin systems: implications for pathogenesis, stress responses, and evolution. PLoS Genet., 2009; 5: e1000767.

113. Rami A. Review: autophagy in neurodegeneration: firefighter and/or incendiarist? Neuropath. Appl. Neurobiol., 2009; 35(5): 449-61.

114. Ramisetty B.C., Natarajan B., Santhosh R.S. MazEF-mediated programmed cell death in bacteria: What is this? Crit. Rev. Microbiol., 2015 Feb;41(1):89-100.

115. Rice K.C., Bayles K.W. Death>s toolbox: examining the molecular components of bacterial programmed cell death. Mol. Microbiol., 2003; 50: 729-38.

116. Rice K.C., Bayles K.W. Molecular control of bacterial death and lysis. Microbiol. Mol. Biol. Rev., 2008; 72: 85-109.

117. Robertson C.L., Scafidi S., McKenna M.C., Fiskum G. Mitochondrial mechanisms of cell death and neuroprotection in pediatric ischemic and traumatic brain injury. Exp. Neurol., 2009; 218(2): 371-80.

118. Rostovtseva T.K., Tan W., Colombini M. On the role of VDAC in apoptosis: Fact and fiction. J. Bioenerg. Biomembr., 2005; 37: 129-42.

119. Rothenbacher F.P. Clostridium difficile MazF toxin exhibits selective, not global, mRNA cleavage. J. Bacteriol., 2012; 194: 3464-74.

120. Ruiz-Echevarria M.J., Berzal-Herranz A., Gerdes K., Diaz-Orejas R. The kis and kid genes of the parD maintenance system of plasmid R1 form an operon that is autoregulated at the level of transcription by the coordinated action of the Kis and Kid proteins. Mol. Microbiol., 1991; 5: 2685-93.

121. Ryter S.W., Mizumura K., Choi A.M. The impact of autophagy on cell death modalities. Int. J. Cell. Biol., 2014, vol. 2014, e502676.

122. Sakamoto S., Kyprianou N. Targeting anoikis resistance in prostate cancer metastasis. Mol. Aspects Med., 2010; 31(2): 205-14.

123. Sakamoto S., Schwarze S., Kyprianou N. Anoikis disruption of focal adhesion-Akt signaling impairs renal cell carcinoma. Eur. Urol., 2011; 59(5): 734-44.

124. Samejima K., Earnshaw W.C. Trashing the genome: the role of nucleases during apoptosis. Nat. Rev. Mol. Cell. Biol., 2005; 6: 677-88.

125. Shamas-Din A., Brahmbhatt H., Leber B., Andrews D.W. BH3-only proteins: Orchestrators of apoptosis. Biochim. Biophys. Acta. 2011; 1813(4): 508-20.

126. Shemarova I. V. Phosphoinositide signaling in unicellular eukariotes. Crit. Rev. Microbiol., 2007; 33: 141-56.

127. Shen S., Kepp O., Michaud M., Martins I., Minoux H., Metivier D., Maiuri M.C., Kroemer R.T., Kroemer G. Association and dissociation of autophagy, apoptosis and necrosis by systematic chemical study. Oncogene, 2011; 30(45): 4544-56.

128. S0gaard-Andersen L., Yang Z. Programmed cell death: role for MazF and MrpC in Myxococcus multicellular development. Curr. Biol., 2008; 18: 337-9.

129. Tait S.W., Green D.R. Mitochondrial regulation of cell death. Cold Spring Harb. Perspect. Biol., 2013; 5(9): a008706.

130. Tanouchi Y., Lee A.J., Meredith H., You L. Programmed cell death in bacteria and implications

for antibiotic therapy. Trends Microbiol., 2013; 21(6): 265-70.

131. Tanouchi Y., Pai A., Buchler N.E., You L. Programming stress-induced altruistic death in engineered bacteria. Molecular Systems Biology, 2012; (8): 626.

132. The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2002 Sydney Brenner, H. Robert Horvitz, John E. Sulston. URL: http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/ medicine/laureates/ 2002/ (Accessed 31 May 2014).

133. Ulukaya E., Acilan C., Yilmaz Y. Apoptosis: why and how does it occur in biology? Cell. Biochem. Funct., 2011; 29(6): 468-80.

134. Venkatraman S. Apoptos in bacteria. Programmed cell death in prokaryotic cells. 2014. http://www. academia.edu/ 7055328/Apoptosis_in_ bacteria_Programmed_cell_death_in_prokaryotic_cells (Accessed 13 February 2014).

135. Wang X., Lord D.M., Cheng H.Y., Osbourne D.O., Hong S.H. A new type V toxin-antitoxin system where mRNA for toxin GhoT is cleaved by antitoxin GhoS. Nat. Chem. Biol., 2012; 8: 855-61.

136. Wardhawan S., Gautam S., SharmaA. Involvement of Proline Oxidase (PutA) in Programmed Cell Death of Xanthomonas. PLoS ONE, 2014; 9(5): e96423.

137. Williams K, Gokulan K, Shelman D, Akiyama T, Khan A, Khare S. Cytotoxic mechanism of cytolethal distending toxin in nontyphoidal salmonella serovar (Salmonella javiana) during macrophage infection. DNA Cell Biol. 2015; 34(2): 113-24.

138. Weinlich R., Dillon C.P., Green D.R. Ripped to death. Trends Cell. Biol., 2011; (11): 630-7.

139. Wu Y.C., Wang X., Xue D. Methods for studying programmed cell death in C. elegans. Methods Cell. Biol. 2012; 10: 295-320.

140. Wu W., Liu P., Li J. Necroptosis: an emerging form of programmed cell death. Crit. Rev. Oncol. Hematol., 2012; 82(3): 249-58.

141. Yamaguchi Y., Park J.H., Inouye M. Toxin-antitoxin systems in bacteria and archaea. Annu. Rev. Genet., 2011; 45: 61-79.

142. Yuan J., Kroemer G. Alternative cell death mechanisms in development and beyond. Genes Dev., 2010; 24:2592-602.

143. Zheng W, Rasmussen U, Zheng S, Bao X, Chen B, Gao Y, et al. Multiple Modes of Cell Death Discovered in a Prokaryotic (Cyanobacterial) Endosymbiont. PLoS ONE. 2013. 8(6): e66147. doi:10.1371/journal.pone.0066147

144. Zorzini V., Buts L., Sleutel M., Garcia-Pino A., Talavera A. Structural and biophysical characterization of Staphylococcus aureus SaMazF shows conservation of functional dynamics. Nucleic Acids Research, 2014; 42(10): 6709-25.

B.G. Andryukov, L.M. Somovа, N.F. Timchenko morphological and molecular genetic markers of programmed cell death of prokaryotes

Federal State Budget Scientific Institution «Scientific Research Institute of Epidemiology and Microbiology, G. P. Somova», Vladivostok, Russia.

Programmed cell death (PCD) was first studied in eukaryotic organisms. Perhaps PCD are also part of the life cycle of prokaryotes. PCD activated signals in response to the stresses of microorganisms caused by adverse environmental conditions during infection of the host organism or exposure to antibacterial agents. Apoptosis is the most-studied form of the PCD and is a regulated process of cell self-destruction, which was an originally determined exclusively morphological component. The results of numerous molecular genetic studies in the last decade, allow us to consider the apoptotic mechanism of PCD prokaryotes as a means of evolutionary conservation of the species. These results significantly expanded understanding of the role of microorganisms PCD and opened a number of important areas of research of the morphological and molecular genetic approaches to the study of strategies for survival in the death of bacterial populations. PCD of Prokaryotes is a consequence of cell death control systems, as well as its complex regulation.

Keywords: prokaryotes, programmed cell death (PCD), apoptosis, autolysis, necrosis, pyroptosis, morphological, biochemical and genetic characteristics of PCD.

Citation: Andryukov B.G., Somovа L.M., Timchenko N.F. Morphological and molecular genetic markers programmed cell death of Prokaryotes. Health. Medical ecology. Science. 2015; 3(61): 4-22. URL: https://yadi.sk/i/sqKGt5LthdKsj.

Сведения об авторах

Андрюков Борис Георгиевич - доктор медицинских наук, заведующий лабораторией молекулярной эпидемиологии и микробиологии ФГБНУ «НИИ эпидемиологии и микробиологии им. Г.П. Сомова», телефоны: 8(423)-246-78-14, 89242304647; 690087, г. Владивосток, ул. Сельская, д. 1; e-mail: andrukov_ bg@mail.ru;

Сомова Лариса Михайловна - доктор медицинских наук, профессор, главный научный сотрудник НИИ эпидемиологии и микробиологии им. Г.П. Сомова, 690087, г. Владивосток, ул. Сельская, 1; e-mail l_somova@mail.ru;

Тимченко Нэлли Федоровна - доктор медицинских наук, профессор, ведущий научный сотрудник лаборатории молекулярной эпидемиологии и микробиологии. ФГБНУ «Научно-исследовательский институт эпидемиологии и микробиологии имени Г.П. Сомова», 690087, г. Владивосток, ул. Сельская, 1; Тел.: 244-11-47; e-mail ntimch@mail.ru.

© Коллектив авторов, 2015 г.

УДК 616-056.52:616-009.5:616.133-089

А.Ю. Новиков1, И.Е.Голуб1, Л.В. Сорокина1, А.В. Луговой2

реверсия нейромышечной блокады и экстубация трахеи при реконструктивных операциях на сонных артериях

1 ГБОУ ВПО Иркутский государственный медицинский университет, г. Иркутск;

2 ФГКУ «1477 Военно-морской клинический госпиталь» МО РФ, г. Владивосток.

Представлены результаты применения сугаммадекса и антирефлексивной эндотрахеальной трубки при оперативном лечении стенозирующих поражений экстракраниальных отделов внутренней сонной артерии. Ларингоскопия, интубация и экстубация трахеи являются потенциально опасными периодами анестезиологического пособия, прежде всего из-за угрозы гемодинамической нестабильности. Применение сугаммадекса позволяет провести быструю реверсию нейромышечного блока, индуцированную рокуронием путем его связывания и инкапсуляции в его молекулу, а возможность контроля над интраоперационной гемодинамикой, в потенциально опасные этапы операции, существует при применении антирефлексивной эндотрахеальной трубки. Представлены результаты исследования группы пациентов с атеросклеротическим поражением сонных артерий, имеющих высокий операционно-анестезиологический риск, у которых в схеме анестезиологической пособия применялась быстрая реверсия нейромышечного блока и использование антирефлексивной эндотрахеальной трубки. Подчеркнута значимость предложенной методики, которая позволяет положительно влиять на течение всего раннего послеоперационного периода, обеспечивает быстрое и полноценное восстановление мышечного тонуса,