Систе́ма токси́н-антитокси́н (англ.toxin-antitoxin system) — набор двух и более тесно связанных генов, которые в совокупности кодируют и белок-«яд», и соответствующее ему «противоядие». Когда такая система локализована на плазмиде (автономном генетическом элементе), то в результате деления исходной клетки, содержащей плазмиду, дочерняя клетка выживет только в том случае, если унаследует плазмиду. Если дочерняя клетка лишена плазмиды, то нестабильный антитоксин, унаследованный с цитоплазмой матери, разрушается, а стабильный токсичный белок убивает клетку; это явление получило название «постсегрегационное убийство» (англ.post-segregational killing, PSK)[2][3]. Системы токсин-антитоксин широко распространены среди прокариот, и зачастую один прокариотический организм содержит множество копий таких систем[4][5].
(A) Вертикальный перенос генов системы токсин-антитоксин. (B) Горизонтальный перенос генов системы токсин-антитоксин. PSK — постсегрегационное убийство, а TA — локусы, кодирующие токсин и антитоксин[1].
Системы токсин-антитоксин обычно классифицируют по тому, как антитоксин нейтрализует токсин. В случае систем токсин-антитоксин I типа трансляциямРНК, кодирующей токсин, подавляется при связывании с ней малой некодирующей РНК, служащей антитоксином. В случае систем II типа белок-токсин ингибируется посттрансляционно путём связывания с другим белком — антитоксином. Известен один пример систем III типа, в которых белок-токсин непосредственно связывается с РНК-антитоксином[6]. Гены, кодирующие токсин-антитоксин, часто передаются от организма к организму путём горизонтального переноса генов[7]. Нередко они ассоциированы с патогеннымибактериями и нередко локализуются на плазмидах, несущих гены вирулентности и устойчивости к антибиотикам[1].
Существуют и хромосомные системы токсин-антитоксин, некоторые из них участвуют в таких клеточных процессах, как ответ на стресс, остановка клеточного цикла и программируемая клеточная смерть[1][8]. С точки зрения эволюции системы токсин-антитоксин могут рассматриваться как эгоистичная ДНК[en], то есть целью этих систем является увеличение собственной численности вне зависимости от того, принесут они организму-хозяину пользу или вред. Были предложены адаптивные теории, объясняющие эволюцию систем токсин-антитоксин; например, возможно, что хромосомные системы токсин-антитоксин появились для того, чтобы предотвращать наследование крупных делеций в хозяйском геноме[9]. Системы токсин-антитоксин нашли применение в биотехнологии, например, в методе поддержания плазмид в клеточных линиях. Они могут служить мишенями антибиотиков и использоваться как векторы для положительного отбора[10].
Плазмиды, содержащие системы токсин-антитоксин, рассматриваются как пример эгоистичной ДНК в рамках геноцентрического взгляда на эволюцию[en] (англ.Gene-centered view of evolution). Считается, что системы токсин-антитоксин могут только поддерживать собственную ДНК, даже в ущерб организму-хозяину[1]. Согласно другим теориям, эти системы повышают приспособленность несущих их плазмид по сравнению с обычными плазмидами[11]. В этом случае системы токсин-антитоксин помогают хозяйской ДНК, избавляя потомство клетки от других плазмид (система токсин-антитоксин, локализованная на плазмиде, приводит к гибели клеток, не унаследовавших при делении этой плазмиды, поэтому, если клетка погибает, то и содержащиеся в ней плазмиды элиминируются). Это представление подкрепляется данными компьютерного моделирования[12]. Впрочем, оно не объясняет присутствие систем токсин-антитоксин на хромосомах.
Карта хромосомы Sinorhizobium meliloti[en], показаны 25 систем токсин-антитоксин, расположенные на ней. Оранжевым цветом указаны системы, существование которых точно установлено[13], а зелёным цветом отмечены предполагаемые системы[14]
Существует ряд адаптивных теорий, объясняющих эволюционное преимущество хромосомных систем токсин-антитоксин перед естественным отбором. Простейшее объяснение существования таких систем на хромосомах заключается в том, что они предотвращают появление опасных крупных делеций в геноме клетки[9]. Токсин-антитоксиновый локус MazEFEscherichia coli и других бактерий индуцирует программируемую гибель клетки в ответ на длительное голодание, особенно на отсутствие аминокислот[15]. Содержимое погибшей клетки абсорбируется соседними клетками, то есть, возможно, предотвращает смерть близких родственников погибшей клетки и тем самым увеличивает совокупную приспособленность[en] погибшей клетки. Такой пример альтруизма сближает бактериальные колонии с многоклеточными организмами[12].
Согласно другой теории, хромосомные системы токсин-антитоксин являются бактериостатическими[en], но не бактерицидными[16]. Например, RelE глобально ингибирует трансляцию в условиях нехватки питательных веществ, и его экспрессия снижает риск голодания, уменьшая потребности клетки в питательных веществах[17]. Гомолог токсина mazF, mazF-mx, необходим для образования плодовых тел у Myxococcus xanthus[18]. Эти бактерии образуют густые скопления, и при недостатке питательных веществ группа из 50000 клеток собирается в плодовое тело[19]. Токсин maxF-mx является компонентом пути ответа на стресс, обусловленный недостатком питательных веществ, и даёт возможность некоторым клеткам плодового тела образовать миксоспоры. Было высказано предположение, что M. xanthus «поработил» систему токсин-антитоксин и взял антитоксин под собственный молекулярный контроль для регуляции своего жизненного цикла[18].
Было высказано предположение, что хромосомные копии систем токсин-антитоксин могут обеспечивать противопривыкание[en], то есть помогают исключить плазмиду из потомства клетки, не подвергая её воздействию токсина. Например, в геноме Erwinia chrysanthemi[en] закодирован антитоксин, который противодействует токсину, кодируемому F-плазмидой[20].
Было предложено девять возможных функций систем токсин-антитоксин[21]:
Клеточный «мусор»: системы токсин-антитоксин были заимствованы от плазмид и оставлены в клетках из-за развившегося привыкания к их токсинам.
Стабилизация геномных паразитов (остатков от транспозонов и бактериофагов). Наличие систем токсин-антитоксин на этих элементах может приносить им выгоду, снижая возможность их делеций. Многие хромосомные системы токсин-антитоксин при ближайшем рассмотрении могут в действительности принадлежать встроенным в геном паразитическим элементам или их остаткам.
Эгоистичные аллели: в ходе рекомбинации аллели, не вызывающие привыкания, не могут заместить аллели, вызывающие привыкание, однако противоположная замена возможна.
Регуляция генов: некоторые токсины действуют как общие репрессоры экспрессии генов[22], в то время как другие более специфичны[23].
Контроль роста: как отмечалось, бактериостатические токсины не убивают клетку-хозяина, а ограничивают её рост[16].
Устойчивые клетки: в некоторых популяциях бактерий имеется субпопуляция клеток, обладающая устойчивостью ко множеству антибиотиков, контролируемой системами токсин-антитоксин. Эти медленнорастущие выносливые клетки страхуют популяцию от полного вымирания[24].
Программируемая гибель клетки и выживание её близких родственников, как в описанном выше примере альтруизма, обусловленного MazEF (см. выше).
Различный уровень устойчивости клеток популяции к стрессовым условиям, обусловливающий программируемую гибель некоторых клеток, которая предотвращает вымирание всей популяции.
Противодействие бактериофагам: когда бактериофаг нарушает транскрипцию и трансляцию клеточных белков, активация систем токсин-антитоксин ограничивает репликацию фага[25][26].
Впрочем, эксперимент, в котором из клеток штаммаE. coli были удалены пять систем токсин-антитоксин, не дал никаких доказательств в пользу существования преимуществ, которые системы токсин-антитоксин дают клетке-хозяину. Эти результаты заставляют усомниться в гипотезах контроля роста и программируемой клеточной гибели[27].
Действие систем токсин-антитоксин I типа обусловлено комплементарнымспариванием оснований РНК-антитоксина с мРНК, кодирующей белок-токсин. Трансляция этой мРНК подавляется или из-за разрушения РНКазой III, или из-за уменьшения доступности последовательности Шайна — Дальгарно или сайта связывания рибосомы[en]. В этих случаях токсин и антитоксин нередко кодируются противоположными цепями ДНК. Перекрывающийся участок этих двух генов (обычно его длина составляет 19—23 нуклеотида) обусловливает их комплементарное спаривание[28].
Токсины в системах I типа представлены небольшими гидрофобными белками, токсичность которых обусловлена их способностью разрушать мембраны клетки[1]. Лишь для немногих токсинов систем I типа были определены внутриклеточные мишени, возможно, из-за сложностей, связанных с изучением белков, токсичных для содержащих их клеток[8].
Иногда системы I типа включают и третий компонент. В случае хорошо изученной системы hok/sok, кроме токсина hok и антитоксина sok, имеется третий ген, названный mok. Он практически целиком перекрывается с геном, кодирующим токсин, и трансляция токсина зависит от трансляции этого третьего компонента[3]. По этой причине представление о связывании токсина с антитоксином в некоторых случаях является упрощением, и антитоксин на самом деле связывается с третьей РНК, которая уже потом действует на трансляцию токсина[28].
Устройство генов в типичном локусе системы токсин-антитоксин II типа[14]
Системы типа II изучены лучше систем типа I[28]. В этих системах неустойчивый белок-антитоксин прочно связывается со стабильным токсином и подавляет его активность[8]. Крупнейшее семейство систем этого типа — vapBC[en][36], и методами биоинформатики было установлено, что от 37 до 42 % систем II типа относятся к этому семейству[13][14].
Системы типа II, как правило, организованы в опероны, причём ген, кодирующий антитоксин, обычно располагается выше гена, кодирующего токсин. Антитоксин подавляет токсин, отрицательно регулируя его экспрессию. Токсин и антитоксин, как правило, имеют длину около 100 аминокислотных остатков[28]. Вредоносность токсина может быть обусловлена несколькими свойствами. Белок CcdB, например, нарушает работу ДНК-топоизомеразII[en] и ДНК-гиразы[37], а белок MazF является опасной эндорибонуклеазой, которая разрезает клеточные мРНК по специфическим мотивам[38]. Наиболее часто токсины являются эндонуклеазами, которые также известны как интерферазы[39][40].
Иногда в системах токсин-антитоксин II типа появляется третий белок[41]. В случае вышеупомянутой системы MazEF имеется дополнительный регуляторный белок — MazG. Он взаимодействует с ГТФазой Era E. coli и характеризуется как нуклеозидтрифосфатпирофосфатгидролаза[42], которая гидролизуетнуклеозидтрифосфаты до монофосфатов. Дальнейшие исследования показали, что MazG транскрибируется в ту же полицистронную РНК, что и MazE и MazF, и MazG связывается с токсином MazF, дополнительно ингибируя его активность[43].
Системы токсин-антитоксин III типа полагаются на непосредственное взаимодействие белка-токсина и РНК-антитоксина. Токсичные эффекты белка нейтрализуются непосредственно РНК[6]. Единственным известным на данный момент примером является система ToxIN, найденная у патогенной для растений бактерии Pectobacterium carotovorum[en]. Белок-токсин ToxN имеет длину около 170 аминокислотных остатков и токсичен для E. coli. Его ядовитость подавляется РНК ToxI, которая содержит 5,5 тандемных повторов мотива из 36 нуклеотидов (AGGTGATTTGCTACCTTTAAGTGCAGCTAGAAATTC)[46][47]. Кристаллографический анализ ToxIN показал, что для ингибирования ToxN необходимо образование тримерного комплекса ToxIN, в котором три мономера связаны с тремя мономерами ToxN. Комплекс удерживается за счёт множественных РНК-белковых взаимодействий[48].
Биотехнологическое применение систем токсин-антитоксин начали несколько биотехнологических компаний[10][16]. Системы токсин-антитоксин используются в основном для поддержания плазмид в больших культурах клеток бактерий. В эксперименте, проверяющем эффективность локусаhok/sok, было показано, что вставленная плазмида, экспрессирующая бета-галактозидазу, сохраняла в 8—22 раза большую стабильность при клеточных делениях, чем в контрольной культуре, лишённой системы токсин-антитоксин[49][50]. В широко использующихся микробиологических процессах, например, брожении, те дочерние клетки, которые не унаследовали плазмиду, имеют большую приспособленность по сравнению с клетками, содержащими плазмиды, и в конце концов лишённые плазмид клетки могут полностью вытеснить ценные промышленные микроорганизмы. Таким образом, системы токсин-антитоксин, помогающие поддерживать важные плазмиды, способствуют поддержанию эффективности промышленных процессов[10].
Кроме того, системы токсин-антитоксин в будущем могут стать мишенями антибиотиков. Индукция молекул, губительных для патогенов, может помочь преодолеть всё возрастающую проблему множественной лекарственной устойчивости[51].
Отбор плазмид, содержащих вставку[en], является широко распространённой проблемой при клонировании ДНК. Системы токсин-антитоксин могут использоваться для положительного отбора лишь тех клеток, которые содержат плазмиду с интересующей исследователя вставкой, отбрасывая те клетки, которые не содержат вставленного гена. Например, в плазмидные векторы вставляют ген CcdB, кодирующий токсин[52]. Интересующий ген затем вступает в рекомбинацию с геном CcdB, инактивируя транскрипцию токсичного белка. Поэтому трансформированные клетки, содержащие плазмиду, но не вставку, погибают из-за токсичных свойств белка CcdB, и выживают только те клетки, которые имеют плазмиду со вставкой[10].
Возможно использование также и токсина CcdB, и антитоксина CcdA. CcdB находится в рекомбинатном геноме бактерии, а инактивированная версия CcdA вставляется в линейный плазмидный вектор. К интересующему гену пришивается короткая последовательность, которая активирует ген антитоксина при его вставке в это место. С помощью этого метода можно получить направленно-специфичную вставку гена[52].
