БИОХИМИЯ, 2022, том 87, вып. 12, с. 1888 - 1896

УДК 576

РОЛЬ МЁРТВЫХ КЛЕТОК

В КОЛЛЕКТИВНОЙ УСТОЙЧИВОСТИ К СТРЕССУ

МИКРОБНЫХ СООБЩЕСТВ НА ПРИМЕРЕ ДРОЖЖЕЙ

Обзор

¹ НИИ физико-химической биологии имени А.Н. Белозерского,

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова,

119992 Москва, Россия; электронная почта: knorre@belozersky.msu.ru

² Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова,

факультет биоинженерии и биоинформатики, 119234 Москва, Россия

Поступила в редакцию 03.10.2022

После доработки 08.11.2022

Принята к публикации 08.11.2022

Дрожжи большую часть своего жизненного цикла находятся в окружении генетически идентичных

клеток - своих собственных клонов. При этом приспособленность дрожжевой клетки - например,

к стрессовым условиям - зависит не только от неё самой, но и от других клеток микробного сообще-

ства. Даже если клетка теряет способность к пролиферации, она всё ещё способна защищать остав-

шиеся в живых клетки. Мёртвые клетки могут абсорбировать липофильные антибиотики и предо-

ставлять соседним родственным клеткам питательные вещества. Более того, некоторые ферменты

мёртвых клеток могут высвобождаться в окружающую среду и способствовать обезвреживанию

экзогенных токсинов. Например, каталаза, разлагающая пероксид водорода, может долго оставать-

ся активной вне клетки. Кроме того, мёртвые клетки патогенных видов дрожжей могут подавлять

иммунный ответ организма-хозяина и таким образом увеличивать шансы на выживание остальных

клеток в этом организме. В этом обзоре мы предполагаем, что биохимические процессы в умираю-

щих клетках могут увеличивать устойчивость к стрессу живых родственных клеток и, таким образом,

находиться под действием естественного отбора. Мы рассматриваем возможные сценарии того, как

мёртвые микробные клетки могут способствовать выживанию своих сородичей, на примере одно-

клеточных грибов - пекарских дрожжей Saccharomyces cerevisiae. В результате мы приходим к выво-

ду, что эволюционно консервативные механизмы программируемой клеточной смерти у дрожжей,

вероятно, включают раннюю пермеабилизацию плазматической мембраны клетки, а не предполага-

ют сохранение её целостности.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: программируемая клеточная смерть, функциональная дифференциация, устойчи-

вость к стрессу, межклеточная коммуникация, дрожжи.

DOI: 10.31857/S0320972522120090, EDN: NGREEQ

ВВЕДЕНИЕ

возобновить деление или уже потеряла свою

жизнеспособность. В то же время жизнеспо-

Живое многоклеточное животное обычно

собность микроорганизмов является важным

легко отличить от мёртвого. В случае же одно-

фактором в биотехнологических процессах и

клеточных микроорганизмов (например, бак-

при тестировании противомикробных препа-

терий или дрожжей) это получается сделать

ратов. Жизнеспособность микроорганизмов

далеко не всегда: в некоторых случаях оказы-

оценивают методом клоногенного анализа

вается сложно предсказать, сможет ли клетка или с помощью красителей, которые накапли-

ваются либо только в мёртвых, либо только в

живых клетках [1]. Оба подхода имеют свои

Принятые сокращения: ПКС - программируемая кле-

точная смерть; ПМ - плазматическая мембрана; РКС -

ограничения. В случае клоногенного анализа

регулируемая клеточная смерть; PI - пропидий йодид.

способность одноклеточных микроорганизмов

* Адресат для корреспонденции.

к пролиферации может зависеть от специфи-

# Авторы внесли равный вклад в работу.

ческих соединений, например, хелатирующей

1888

РОЛЬ МЁРТВЫХ КЛЕТОК

1889

железо молекулы - сидерофора [2]. Таким об-

амёб [14] и у дрожжей [15]. Однако многокле-

разом, отрицательные результаты (колонии

точные микробные сообщества обычно состо-

не образуются) могут быть ошибочно интер-

ят из генетически идентичных клеток, находя-

претированы: живая клетка не будет образо-

щихся пространственно в непосредственной

вывать колонии на чашках с богатой средой и

близости друг от друга. Пространственная бли-

агаром, в котором не оказалось необходимого

зость родственных клеток сокращает риск по-

ей соединения. Красители также имеют свои

жертвовать собой в пользу генетически чуже-

недостатки. Например, пропидий йодид (PI)

родных клеток и делает возможной эволюцию

считается специфическим красителем мёртвых

механизмов альтруистической кооперации [16].

клеток, но в определённых условиях он может

Процессы, протекающие в умирающих

накапливаться в живых клетках с нарушенным

клетках микроорганизмов, могут быть важны

метаболизмом [3, 4]. Более того, подвергнутые

для выживания микробного сообщества. Роль

стрессу клетки иногда начинают накапливать

этих процессов может быть велика, если сооб-

в цитоплазме PI лишь через несколько часов

щество оказалось в условии стресса, способного

после воздействия стресса, а до этого оставать-

убить большую часть клеток из этого сообще-

ся PI-неокрашенными [5]. Это может объяс-

ства. В своём обзоре мы обсуждаем биохимиче-

нить несоответствие оценок жизнеспособно-

ские процессы в микробных клетках, которые

сти с использованием клоногенного анализа

не способны к дальнейшей пролиферации. Мы

и окрашивания PI [6]. Эти примеры позволя-

рассматриваем ситуации, в которых мёртвые

ют предположить, что микроорганизмы могут

клетки дрожжей могут увеличивать или снижать

длительное время находиться в промежуточ-

выживание соседних клеток; для сравнения мы

ных состояниях между жизнью и смертью, ког-

также приводим примеры, иллюстрирующие

да метаболически активная клетка неспособна

взаимодействие живых и мёртвых бактерий.

к дальнейшей пролиферации.

Последовательность событий в умираю-

щей микробной клетке может регулироваться

МИКРОБНЫЕ ПОПУЛЯЦИИ

генетически. Процессы, протекающие в кри-

ФЕНОТИПИЧЕСКИ ГЕТЕРОГЕННЫ

тически повреждённых клетках дрожжей, мо-

ПО УСТОЙЧИВОСТИ К СТРЕССУ

гут быть изменены, если в этих клетках заранее

были нокаутированы

«связанные со смер-

Популяция одноклеточных организмов,

тью» гены [5]. Этот феномен обычно называ-

потомков одной клетки, может включать не-

ют регулируемой клеточной смертью (РКС).

сколько групп клеток (субпопуляций), суще-

У дрожжей РКС может быть вызвана такими

ственно различающихся по своему фенотипу.

стрессами, как закисление цитоплазмы [7], те-

Так, например, в стационарной фазе культура

пловой шок [8], окислительный стресс и про-

Saccharomyces cerevisiae может дифференци-

тивогрибковые препараты [9]. Подробнее с

роваться на две субпопуляции: покоящиеся и

информацией об индукторах РКС можно оз-

активно пролиферирующие клетки [17]. Меж-

накомиться в недавно опубликованном обзоре

клеточная гетерогенность возникает из-за

Grosfeld et al. [10]. В сообществе бактерий РКС

стохастических процессов при активации ге-

может быть адаптивным механизмом, при ко-

нов, цикличности процессов, протекающих

тором часть клеток жертвует собой ради увели-

в клетках, или из-за асимметричного деления

чения шансов на выживание остальной части

клеток [18, 19]. В агрегатах дрожжевых кле-

сообщества. К примеру, в условиях стресса

ток каждая клетка оказывается в уникальном

некоторые клетки Bacillus subtilis формируют

микроокружении, это также может вызывать

покоящиеся споры, в то время как остальные

дифференцировку клеток [20, 21]. В колониях

лизируются и становятся источником пита-

S. cerevisiae, например, споруляция осущест-

тельных веществ [11, 12]. Вопрос о том, может

вляется только в отдельных узких слоях коло-

ли смерть микроорганизма быть запрограм-

нии [22]. Более того, формирование колоний

мированной (то есть быть вызвана слабым

дрожжей сопровождается гибелью части клеток,

сигналом и усилена собственными системами

расположенных в глубине колонии. Эта функ-

клетки), до сих пор является предметом дис-

циональная дифференцировка, приводящая

куссии [13]. Стратегии выживания, основан-

к гибели клеток, регулируется аммонием и

ные на альтруистической программируемой

транскрипционным фактором Sok2p. Делеция

смерти отдельных индивидуумов, уязвимы к

гена SOK2 меняет распределение мёртвых кле-

«нахлебникам», которые часто появляются в

ток по колонии: мёртвые клетки появляются не

сообществах клеток: например, описаны слу-

только в центре, но и на периферии колонии.

чаи «нахлебничества» в штаммах социальных

Это снижает эффективность утилизации суб-

БИОХИМИЯ том 87 вып. 12 2022

1890

КИРЕЕВА и др.

страта и приводит к снижению конечного раз-

мости, это связано с тем, что мёртвые клетки

мера колонии [23].

верхнего слоя предотвращают проникновение

Дифференцировка микробных клеток мо-

этих вредных соединений во внутренние слои

жет быть стратегией диверсификации рисков,

колонии (рисунок, а). Поэтому способность

обеспечивающей высокую скорость пролифе-

дрожжевых клеток собираться в агрегаты по-

рации одних клеток и повышенную устойчи-

вышает их устойчивость к АмВ в разы [25].

вость к стрессу других [24]. В случае стрессов

Клетки дрожжей и фрагменты клеточ-

умеренной силы микроорганизмы будут не-

ных стенок часто используются в качестве

избежно окружены своими погибшими «род-

адсорбентов микотоксинов в сельском хозяй-

ственниками», что может играть решающую

стве [26]. К примеру, убитые тепловым шоком

роль в их дальнейшей судьбе. В рамках экспе-

дрожжевые клетки способны удалять высоко-

римента можно изучать, как добавление мёрт-

канцерогенный афлатоксин М1 из молочных

вых клеток влияет на физиологию и устой-

продуктов [27] и адсорбировать охратоксин А

чивость микроорганизмов к стрессу. Такие

из натуральных виноградных соков [28]. Кле-

эксперименты обсуждаются нами далее.

точные стенки дрожжей также уменьшают аб-

сорбцию микотоксинов у крыс [29]. Было по-

казано, что мёртвые клетки дрожжей снижают

ОГРАНИЧЕННАЯ ДИФФУЗИЯ

интенсивность воздействия токсинов дрожже-

И АБСОРБЦИЯ КСЕНОБИОТИКОВ

вых вирусов, хотя и в меньшей степени, чем

это делают живые клетки [30]. Также была по-

Клетки верхних слоёв колонии дрожжей

казана абсорбция вирусного токсина К28 ин-

подвергаются воздействию внешней среды и,

тактными дрожжевыми клетками и препарата-

таким образом, взаимодействуют с токсичны-

ми клеточных стенок [31].

ми веществами раньше, чем клетки, располо-

Мы недавно показали, что мёртвые клет-

женные в толще колонии. К примеру, этанол и

ки дрожжей S. cerevisiae абсорбируют намного

антимикотик амфотерицин B (АмВ) убивают

больше АмВ и других полиеновых макролидов,

клетки внешних слоёв колоний, не затрагивая

чем способны живые клетки. В соответствии

клеток внутренних слоёв [25]. По всей види-

с этим добавление мёртвых клеток дрожжей к

Возможная роль мёртвых клеток в защите соседних клеток (см. объяснения в тексте)

БИОХИМИЯ том 87 вып. 12 2022

РОЛЬ МЁРТВЫХ КЛЕТОК

1891

живым клеткам защищало последние от воз-

являются ATP-зависимыми, то обычно они

действия макролидных антимикотиков [32].

становятся неактивными за пределами клетки.

Данный эффект был связан с тем, что гибель

Однако некоторые ферменты сохраняют свою

клеток сопряжена с пермеабилизацией плаз-

активность вне клетки в течение длительного

матической мембраны (ПМ). Это делает воз-

периода времени. Например, из лабораторной

можной адсорбцию полиеновых макролидов

практики хорошо известно, что лизированные

на поверхности мембран внутренних клеточ-

дрожжевые клетки высвобождают протеазы и

ных компартментов и, таким образом, увели-

нуклеазы, способные расщеплять внеклеточ-

чивает абсорбционную способность мёртвых

ные белки и нуклеиновые кислоты. Это затруд-

клеток. Эти эксперименты показывают, что

няет очистку интактных белков и нуклеиновых

мёртвые клетки дрожжей могут служить адсор-

кислот. Чтобы противодействовать этому, в

бентом токсичных соединений, в то время как

среду выделения добавляют ингибиторы про-

пермеабилизация ПМ повышает абсорбцион-

теазы или сильные детергенты. Внеклеточная

ную способность.

протеазная активность также является пробле-

мой в биотехнологических процессах с исполь-

зованием культур дрожжей высокой плотности,

МЁРТВЫЕ КЛЕТКИ МОГУТ

нацеленных на производство белков. Для её

ПРЕДОСТАВЛЯТЬ ПИТАТЕЛЬНЫЕ

предотвращения используют штаммы с пони-

ВЕЩЕСТВА И ЗАЩИТНЫЕ

женной активностью протеаз или добавляют в

ВНЕКЛЕТОЧНЫЕ ФЕРМЕНТЫ

среду избыток аминокислот, которые часто вы-

СОСЕДНИМ КЛЕТКАМ

ступают как ингибитор протеолитической ак-

тивности [35]. Протеазы из мёртвых клеток мо-

Мёртвые клетки могут не только абсорби-

гут ингибировать пептидные токсины и, таким

ровать вредные вещества, но и высвобождать

образом, играть защитную роль в естественных

собственное содержимое в среду, снабжая пи-

сообществах дрожжей (рисунок, в) [36]. Напри-

тательными веществами соседние клетки (ри-

мер, кондиционированная среда, оставшаяся

сунок, б). К примеру, после достижения стацио-

от инкубации штамма Saccharomyces boulardii,

нарной фазы в жидкой синтетической среде

проявляет протеолитическую активность, ин-

большая часть клеток культуры дрожжей уми-

гибирующую действие пептидных токсинов

рает в течение нескольких дней. За счёт этого

Clostridium difficile A и B [37]. Однако мёртвые

выжившие клетки получают возможность про-

клетки теоретически могут оказывать и не-

лиферировать, используя питательные веще-

благоприятное действие на соседние клетки,

ства, высвобождаемые из мёртвых клеток [33].

разрушая или ингибируя их антитоксины. Так,

Другим примером является споруляция: огра-

мёртвые клетки могут выделять пептиды, про-

ниченная доступность питательных веществ

дукты частичного протеолиза белков, которые

индуцирует мейоз и образование аскоспор.

могут конкурентно ингибировать антиток-

В нормальных условиях клетки S. cerevisiae

синовые протеазы. Роль мёртвых дрожжевых

формируют аски с четырьмя спорами. Однако

клеток в защите от пептидных токсинов изуче-

если при споруляции в среде наблюдается не-

на пока недостаточно хорошо.

достаточное содержание источника углерода,

Ещё одним примером белка, который

в аске формируется только одна или две спо-

обычно локализован в клетке, но сохраняет ак-

ры, в то время как остальные лизируются [34].

тивность в широком диапазоне условий, явля-

Мы предполагаем, что материал погибающих

ется антиоксидантный фермент каталаза. Пе-

спор может использоваться выжившими спо-

рекись водорода - распространённое защитное

рами. Следует заметить, что питательные ве-

соединение, у многоклеточных животных она

щества из отмирающих клеток остаются вну-

вырабатывается иммунными клетками

[38].

три мёртвых диплоидных материнских клеток,

Чтобы защититься от перекиси водорода, па-

таким образом, эти вещества оказываются

тогенные микроорганизмы выработали на-

доступны преимущественно для выживших

дёжную антиоксидантную защиту. Например,

спор, а не для чужеродных микроорганизмов.

распространённые условно-патогенные микро-

Пермеабилизация плазматической мем-

организмы Candida glabrata и Candida albicans

браны делает возможным высвобождение из

могут выдерживать гораздо более высокие кон-

клетки не только низкомолекулярных соеди-

центрации перекиси водорода, чем S. cerevisiae.

нений, например, аминокислот и нуклеоти-

Их высокая устойчивость обусловлена вы-

дов, но и макромолекул, таких как ДНК и бел-

сокой экспрессией гена каталазы CTA1 [39].

ки. Поскольку большинство ферментов имеют

Важно отметить, что в отличие от многих дру-

узкий оптимум активности (например, pH) или

гих ферментов, каталаза не зависит от ATP и

БИОХИМИЯ том 87 вып. 12 2022

1892

КИРЕЕВА и др.

активна в широком диапазоне рН [40]. Следо-

Патогенные виды дрожжей могут взаимо-

вательно, каталаза может вносить вклад в кол-

действовать не только друг с другом, но с им-

лективную защиту микробного сообщества от

мунными клетками хозяина [47]. Например,

окислительного стресса, даже если клетка мерт-

клетки C. albicans могут вызывать у макрофа-

ва и целостность её ПМ нарушена (рисунок, в).

гов одну из форм программируемой клеточной

смерти (ПКС) - пироптоз и, таким образом,

не быть уничтоженными ими [48]. Мёртвые

МЕЖКЛЕТОЧНАЯ СИГНАЛИЗАЦИЯ

дрожжевые клетки также способны модули-

С УЧАСТИЕМ МЁРТВЫХ КЛЕТОК

ровать иммунный ответ хозяина (рисунок, г).

Так, было показано, что убитые тепловым шо-

Ещё одним возможным вкладом мёртвых

ком клетки C. albicans стимулируют секрецию

клеток в выживание оставшихся является бы-

фактора некроза опухоли альфа (TNF-альфа)

страя передача сигнала «бедствия» от умираю-

мононуклеарными клетками крови в большей

щих клеток живым. Подобная межклеточная

степени, чем живые клетки [49]. В другой ра-

коммуникация («некросигнализация», necro-

боте, напротив, было обнаружено, что мёрт-

signaling) обнаружена у бактерий. Мёртвые

вые споры гриба Aspergillus fumigatus слабее ак-

клетки E. coli выделяют белок AcrA - фрагмент

тивировали клеточный иммунный ответ, чем

периплазматического компонента откачиваю-

живые споры [50].

щей помпы с широкой субстратной специфич-

ностью. AcrA взаимодействует с живыми клет-

ками бактерий и вызывает экспрессию генов

ВЫСВОБОЖДЕНИЕ

ответа на стресс, тем самым сильно повышая

ВИРУЛЕНТНЫХ ФАКТОРОВ

их устойчивость к антибиотикам [41]. В другом

исследовании добавление клеток, убитых уль-

ПКС многоклеточных животных и расте-

тразвуком, подавляло рост культуры E. coli в

ний защищает хозяина, предотвращая распро-

богатой среде и ингибировало экспрессию бо-

странение вирусов на соседние клетки. В ответ

лее трёхсот генов [42]. Ингибирование роста,

на это многие вирусы в ходе эволюции приоб-

вызванное мёртвыми клетками, может быть

рели механизмы подавления ПКС клеток хозяи-

адаптивной реакцией, поскольку медленный

на [51]. Несмотря на то что лизис хозяйской

рост способствует накоплению белков стрес-

клетки является необходимой стадией жизнен-

сового ответа (рисунок, б).

ного цикла бактериофагов [52], преждевремен-

Для дрожжей, насколько нам известно,

ная ПКС предотвращает распространение ви-

сигнальный каскад, индуцируемый мёртвы-

руса в бактериальной популяции, поскольку в

ми клетками, пока показан не был. Однако

этом случае бактериальные клетки лизируются

необходимо упомянуть, что лизат дрожже-

до того, как произойдёт сборка функциональ-

вых клеток присутствует в стандартной бога-

но активных фагов [53]. Дрожжевые клетки

той среде - YPD (yeast extract peptone dextrose

также могут быть носителями вирусов. Напри-

medium, глюкозо-пептонно-дрожжевая сре-

мер, двуцепочечные РНК-вирусы семейства

да) [43], и это может скрывать сигналы, исхо-

Totiviridae придают клеткам S. cerevisiae кил-

дящие от мёртвых клеток. К примеру, клетки

лерный фенотип - способность вызывать ги-

дрожжей, выращенные в богатой питательной

бель соседствующих клеток [54]. У пекарских

среде, содержащей дрожжевой экстракт, более

дрожжей хорошо изучены три вирусных токси-

устойчивы к противогрибковым препаратам,

на - K1, K2 и K28. Токсины K1 и K2 нарушают

чем клетки, выращенные на синтетической

целостность мембраны, в то время как K28 бло-

среде, в которую не добавляется дрожжевой

кирует клеточный цикл [55]. Примечательно,

экстракт [44]. В то же время лекарственная

что нет никакого доказательства внеклеточной

устойчивость клеток дрожжей, выращенных

передачи двуцепочечных РНК-вирусов дрож-

в богатой среде, может быть объяснена други-

жей. Это говорит о том, что они сильно зависят

ми факторами: например, различными липид-

от благополучия своих дрожжевых клеток-хо-

ными профилями у дрожжей, выращенных на

зяев [56]. Было показано, что киллерные токси-

богатых средах, и у дрожжей, выращенных на

ны могут индуцировать клеточную смерть [57].

полных синтетических средах (CSM, complete

Однако поскольку вирусы могут передаваться

synthetic media) [45]. Более того, поскольку

другим клеткам только во время спаривания,

клетки, выращенные на CSM, растут медлен-

остаётся неясным, в каких условиях механизм

нее, чем клетки, выращенные на YPD, они мо-

индуцированной киллерным токсином кле-

гут оказаться более устойчивыми к некоторым

точной смерти может быть полезен. Насколько

другим противогрибковым препаратам [46].

нам известно, в настоящее время нет данных о

БИОХИМИЯ том 87 вып. 12 2022

РОЛЬ МЁРТВЫХ КЛЕТОК

1893

том, что регулируемый лизис дрожжевых кле-

клеточной зелёной водоросли Chlamydomonas

ток как-то препятствует или способствует рас-

reinhardtii, убитых мягким тепловым шоком

пространению вирусов в популяции.

при

°С, усиливают рост суспензионной

культуры этих водорослей. Важно отметить,

что в этом случае для развития гибели клеток

РАЗДЕЛЕНИЕ КЛЕТОЧНЫХ АГРЕГАТОВ

потребовалось 18 ч. Между тем супернатант

клеток водорослей, убитых ультразвуком, ин-

Существует ещё один необычный слу-

гибировал рост суспензионной культуры [59].

чай, при котором клеточная смерть дрожжей

Влияние мёртвых клеток на живые может

способствует пролиферации дрожжевых кле-

зависеть от проницаемости их ПМ. У много-

ток в суспензионной культуре. В эволюци-

клеточных животных запрограммированная

онном эксперименте Ratcliff et al. [58] штамм

гибель клеток играет важную роль в поддер-

S. cerevisiae, образующий флоккулы, со вре-

жании тканевого гомеостаза и предотвраще-

менем увеличивал частоту спонтанной гибели

нии неоплазии. В этих случаях клетки обычно

клеток. При этом смерть отдельных клеток по-

сохраняют целостность своей ПМ, чтобы пред-

могала клеточным кластерам отделиться от бо-

отвратить выброс провоспалительных фак-

лее крупных клеточных агрегатов (рисунок, д).

торов в межклеточную жидкость [60]. Однако

Это позволило эволюционировавшей линии со

при некоторых типах гибели клеток, например,

спонтанной гибелью отдельных клеток иметь

при пироптозе, их плазматическая мембрана

большую скорость набора биомассы по сравне-

проницаема на ранних стадиях ПКС [61]. Рас-

нию с исходной линией [58]. Следует отметить,

сматривая адаптивную роль гибели клеток у

что отделение кластера клеток от больших кле-

дрожжей, в большинстве обсуждавшихся выше

точных агрегатов дрожжей возможно не толь-

сценариев мы не находим очевидной причины

ко за счёт гибели клетки, удерживающей этот

для сохранения целостности их плазматиче-

кластер в агрегате, но и за счёт активации фер-

ской мембраны. Возможно, единственным ис-

ментов ремоделирования клеточной стенки.

ключением может быть регуляция иммунного

Тем не менее многие виды дрожжей способны

ответа организма хозяина патогенными дрож-

формировать сложные многоклеточные струк-

жами. Напротив, быстрое разрушение плаз-

туры и колонии со сложной морфологией [20],

матической мембраны усиливает абсорбцию

и мы полагаем, что мёртвые клетки могли бы

токсинов, а также высвобождение питательных

предоставлять питательные вещества расту-

веществ и защитных ферментов. Таким обра-

щему краю колонии и способствовать лучшей

зом, мы предполагаем, что, в отличие от мно-

аэрации внутренних слоёв колоний.

гоклеточных животных, эволюционно консер-

вативные механизмы запрограммированной

гибели клеток у дрожжей должны включать

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

раннюю пермеабилизацию плазматической

мембраны дрожжей.

Выше мы обсудили, как мёртвые клетки

дрожжей могут способствовать поддержанию

Вклад авторов. Все авторы участвовали в

живых клеток. Мёртвые клетки могут абсорби-

написании и обсуждении рукописи. Н.К. и Д.К.

ровать токсины (i-ii), высвобождать питатель-

подготовили исходный текст. К.Г. написала аб-

ные вещества (iii) и “общественно полезные”

зацы о передаче сигналов мёртвыми клетками.

белки (iv) и влиять на иммунный ответ (v). На-

Д.К. подготовил иллюстрацию. Все авторы от-

конец, клеточная смерть способствует фраг-

редактировали текст и утвердили окончатель-

ментации многоклеточных агрегатов, что может

ный вариант рукописи.

быть полезно для распространения в опреде-

Благодарности. Работа выполнена при под-

лённых условиях (vi). Рисунок резюмирует все

держке Междисциплинарной научно-образо-

эти сценарии. При этом некоторые из пред-

вательной школы Московского государствен-

ставленных сценариев довольно спекулятивны

ного университета «Молекулярные технологии

(например, высвобождение каталазы), другие -

живых систем и синтетической биологии».

имеют экспериментальные подтверждения (на-

Финансирование. Работа выполнена при

пример, абсорбция макролидов).

поддержке Российского научного фонда (грант

Важным фактором в роли мёртвых клеток

№ 22-24-00406, для К.Г.).

может быть способ их клеточной смерти и то,

Соблюдение этических норм. Настоящая

что произошло с клеткой до того, как она по-

статья не содержит описания каких-либо ис-

теряла свою жизнеспособность. Например,

следований с участием людей или животных

супернатанты, полученные из клеток одно-

в качестве объектов.

БИОХИМИЯ том 87 вып. 12 2022

894

КИРЕЕВА и др.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Kwolek-Mirek, M., and Zadrag-Tecza, R.

(2014)

13.

Hardwick, J. M. (2018) Do fungi undergo apoptosis-

Comparison of methods used for assessing the viability

like programmed cell death? MBio, 9, e00948-18,

and vitality of yeast cells, FEMS Yeast Res., 14, 1068-

doi: 10.1128/mBio.00948-18.

1079, doi: 10.1111/1567-1364.12202.

14.

Strassmann, J. E., Zhu, Y., and Queller, D. C. (2000)

D’Onofrio, A., Crawford, J. M., Stewart, E. J., Witt,

Altruism and social cheating in the social amoeba

K., Gavrish, E., Epstein, S., et al. (2010) Siderophores

Dictyostelium discoideum, Nature, 408, 965-967, doi:

from neighboring organisms promote the growth

10.1038/35050087.

of uncultured bacteria, Chem Biol,

17,

254-264,

15.

Wloch-Salamon, D. M. (2014) Sociobiology of the

doi: 10.1016/j.chembiol.2010.02.010.

budding yeast, J. Biosci., 39, 225-236, doi: 10.1007/

Davey, H. M., and Hexley, P. (2011) Red but not dead?

s12038-013-9344-5.

Membranes of stressed Saccharomyces cerevisiae are

16.

West, S. A., Griffin, A. S., and Gardner, A. (2007)

permeable to propidium iodide, Environ. Microbiol.,

Evolutionary explanations for cooperation, Curr. Biol.,

13, 163-171, doi: 10.1111/j.1462-2920.2010.02317.x.

17, R661-R672, doi: 10.1016/j.cub.2007.06.004.

Davey, H. M. (2011) Life, death, and in-between:

17.

Benbadis, L., Cot, M., Rigoulet, M., and Francois, J.

meanings and methods in microbiology, Appl. Environ.

(2009) Isolation of two cell populations from yeast

Microbiol., 77, 5571-5576, doi: 10.1128/AEM.00744-11.

during high-level alcoholic fermentation that resemble

Stolp, Z. D., Kulkarni, M., Liu, Y., Zhu, C., Jalisi, A.,

quiescent and nonquiescent cells from the stationary

Lin, S., et al. (2022) Yeast cell death pathway requiring

phase on glucose, FEMS Yeast Res., 9, 1172-1186, doi:

AP-3 vesicle trafficking leads to vacuole/lysosome

10.1111/j.1567-1364.2009.00553.x.

membrane permeabilization, Cell Rep., 39, 110647,

18.

Raj, A., and van Oudenaarden, A. (2008) Nature,

doi: 10.1016/j.celrep.2022.110647.

nurture, or chance: stochastic gene expression and

Rego, A., Ribeiro, A., Côrte-Real, M., and Chaves, S. R.

its consequences, Cell, 135, 216-226, doi: 10.1016/

(2022) Monitoring yeast regulated cell death: trespassing

j.cell.2008.09.050.

the point of no return to loss of plasma membrane

19.

Knorre, D. A., Azbarova, A. V., Galkina, K. V.,

integrity, Apoptosis, 27, 778-786, doi: 10.1007/s10495-

Feniouk, B. A., and Severin, F. F. (2018) Replicative

022-01748-7.

aging as a source of cell heterogeneity in budding

Chaves, S. R., Rego, A., Martins, V. M., Santos-

yeast, Mech. Ageing Dev., 176, 24-31, doi: 10.1016/

Pereira, C., Sousa, M. J., and Côrte-Real, M. (2021)

j.mad.2018.09.001.

Regulation of cell death induced by acetic acid in

20.

Granek, J. A., and Magwene, P. M. (2010) Environ-

yeasts, Front. Cell Dev. Biol., 9, 642375, doi: 10.3389/

mental and genetic determinants of colony morphol-

fcell.2021.642375.

ogy in yeast, PLoS Genet., 6, e1000823, doi: 10.1371/

Pyatrikas, D. V., Fedoseeva, I. V., Varakina, N. N.,

journal.pgen.1000823.

Rusaleva, T. M., Stepanov, A. V., Fedyaeva, A. V.,

21.

Váchová, L., Stovícek, V., Hlavácek, O., Cher-

et al. (2015) Relation between cell death progression,

nyavskiy, O., Stĕpánek, L., Kubínová, L., Palková, Z.

reactive oxygen species production and mitochondrial

(2011) Flo11p, drug efflux pumps, and the extra-

membrane potential in fermenting Saccharomyces cerevi-

cellular matrix cooperate to form biofilm yeast col-

siae cells under heat-shock conditions, FEMS Microbiol.

onies, J. Cell Biol., 194, 679-687, doi: 10.1083/

Lett., 362, fnv082, doi: 10.1093/femsle/fnv082.

jcb.201103129.

Phillips, A. J., Sudbery, I., and Ramsdale, M. (2003)

22.

Piccirillo, S., and Honigberg, S. M. (2010) Sporula-

Apoptosis induced by environmental stresses and ampho-

tion patterning and invasive growth in wild and domes-

tericin B in Candida albicans, Proc. Natl. Acad. Sci.

ticated yeast colonies, Res. Microbiol., 161, 390-398,

USA, 100, 14327-14332, doi: 10.1073/pnas.2332326100.

doi: 10.1016/j.resmic.2010.04.001.

10.

Grosfeld, E. V., Bidiuk, V. A., Mitkevich, O. V.,

23.

Váchová, L., and Palková, Z. (2005) Physiological

Ghazy, E. S. M. O., Kushnirov, V. V., and Alexandrov,

regulation of yeast cell death in multicellular colonies

A. I. (2021) A systematic survey of characteristic

is triggered by ammonia, J. Cell Biol., 169, 711-717,

features of yeast cell death triggered by external factors,

doi: 10.1083/jcb.200410064.

J. Fungi (Basel), 7, 886, doi: 10.3390/jof7110886.

24.

Levy, S. F., Ziv, N., and Siegal, M. L. (2012) Bet hedg-

11.

Claverys, J.-P., and Håvarstein, L. S.

(2007)

ing in yeast by heterogeneous, age-correlated expres-

Cannibalism and fratricide: mechanisms and raisons

sion of a stress protectant, PLoS Biol., 10, e1001325,

d’être, Nat. Rev. Microbiol., 5, 219-229, doi: 10.1038/

doi: 10.1371/journal.pbio.1001325.

nrmicro1613.

25.

Smukalla, S., Caldara, M., Pochet, N., Beauvais,

12.

Allocati, N., Masulli, M., Di Ilio, C., and De

A., Guadagnini, S., Yan, C., et al. (2008) FLO1 is

Laurenzi, V.

(2015) Die for the community: an

a variable green beard gene that drives biofilm-like

overview of programmed cell death in bacteria, Cell

cooperation in budding yeast, Cell, 135, 726-737, doi:

Death Dis., 6, e1609, doi: 10.1038/cddis.2014.570.

10.1016/j.cell.2008.09.037.

БИОХИМИЯ том 87 вып. 12 2022

РОЛЬ МЁРТВЫХ КЛЕТОК

1895

26.

Xu, R., Kiarie, E. G., Yiannikouris, A., Sun, L.,

difficile toxins A and B in human colonic mucosa,

and Karrow, N. A. (2022) Nutritional impact of

Infect. Immun., 67, 302-307, doi: 10.1128/IAI.67.1.

mycotoxins in food animal production and strategies

302-307.1999.

for mitigation, J. Anim. Sci. Biotechnol., 13, 69, doi:

38.

Winterbourn, C. C., Kettle, A. J., and Hampton, M. B.

10.1186/s40104-022-00714-2.

(2016) Reactive oxygen species and neutrophil

27.

Gonçalves, B. L., Muaz, K., Coppa, C. F. S. C.,

function, Annu. Rev. Biochem., 85, 765-792, doi:

Rosim, R. E., Kamimura, E. S., Oliveira, C. A. F.,

10.1146/annurev-biochem-060815-014442.

et al.

(2020) Aflatoxin M1 absorption by non-

39.

Cuéllar-Cruz, M., Briones-Martin-del-Campo, M.,

viable cells of lactic acid bacteria and Saccharomyces

Cañas-Villamar, I., Montalvo-Arredondo, J., Riego-

cerevisiae strains in Frescal cheese, Food Res. Int., 136,

Ruiz, L., Castaño, I., et al. (2008) High resistance

109604, doi: 10.1016/j.foodres.2020.109604.

to oxidative stress in the fungal pathogen Candida

28.

Bejaoui, H., Mathieu, F., Taillandier, P., and

glabrata is mediated by a single catalase, Cta1p, and is

Lebrihi, A. (2004) Ochratoxin A removal in synthetic

controlled by the transcription factors Yap1p, Skn7p,

and natural grape juices by selected oenological

Msn2p, and Msn4p, Eukaryot. Cell, 7, 814-825, doi:

Saccharomyces strains, J. Appl. Microbiol., 97, 1038-

10.1128/EC.00011-08.

1044, doi: 10.1111/j.1365-2672.2004.02385.x.

40.

Chance, B. (1952) Effect of pH upon the reaction

29.

Yiannikouris, A., Apajalahti, J., Siikanen, O., Dil-

kinetics of the enzyme-substrate compounds of

lon, G. P., and Moran, C. A. (2021) Saccharomyces

catalase, J. Biol. Chem., 194, 471-481, doi: 10.1016/

cerevisiae cell wall-based adsorbent reduces aflatoxin

S0021-9258(18)55799-9.

B1 absorption in rats, Toxins, 13, 209, doi: 10.3390/

41.

Bhattacharyya, S., Walker, D. M., and Harshey, R. M.

toxins13030209.

(2020) Dead cells release a “necrosignal” that activates

30.

Da Silva, G. A. (1996) The occurrence of killer,

antibiotic survival pathways in bacterial swarms, Nat.

sensitive, and neutral yeasts in Brazilian Riesling

Commun., 11, 4157, doi: 10.1038/s41467-020-17709-0.

Italico grape must and the effect of neutral strains on

42.

Smakman, F., and Hall, A. R. (2022) Exposure to lysed

killing behaviour, Appl. Microbiol. Biotechnol., 46, 112-

bacteria can promote or inhibit growth of neighboring

121, doi: 10.1007/s002530050791.

live bacteria depending on local abiotic conditions,

31.

Radler, F., and Schmitt, M. (1987) Killer toxins

FEMS Microbiol. Ecol., 98, fiac011, doi: 10.1093/

of yeasts: inhibitors of fermentation and their

femsec/fiac011.

adsorption, J. Food Prot., 50, 234-238, doi: 10.4315/

43.

Sherman, F.

(2002) Getting started with yeast,

0362-028X-50.3.234.

Methods Enzymol., 350, 3-41, doi: 10.1016/s0076-

32.

Kireeva, N. A., Sokolov, S. S., Smirnova, E. A.,

6879(02)50954-x.

Galkina, K. V., Severin, F. F., and Knorre, D. A.

44.

Carlson, T., Lupinacci, E., Moseley, K., and Chandra-

(2021) Adaptive role of cell death in yeast communities

sekaran, S. (2021) Effects of environmental factors on

stressed with macrolide antifungals, mSphere,

sensitivity of Cryptococcus neoformans to fluconazole

e0074521, doi: 10.1128/mSphere.00745-21.

and amphotericin B, FEMS Microbiol. Lett., 368,

33.

Fabrizio, P., Battistella, L., Vardavas, R., Gat-

fnab040, doi: 10.1093/femsle/fnab040.

tazzo, C., Liou, L.-L., Diaspro, A., et al.

(2004)

45.

Mahto, K. K., Singh, A., Khandelwal, N. K.,

Superoxide is a mediator of an altruistic aging program

Bhardwaj, N., Jha, J., and Prasad, R. (2014) An

in Saccharomyces cerevisiae, J. Cell Biol., 166, 1055-

assessment of growth media enrichment on lipid

1067, doi: 10.1083/jcb.200404002.

metabolome and the concurrent phenotypic properties

34.

Eastwood, M. D., Cheung, S. W. T., Lee, K. Y.,

of Candida albicans, PLoS One, 9, e113664, doi:

Moffat, J., and Meneghini, M. D. (2012) Devel-

10.1371/journal.pone.0113664.

opmentally programmed nuclear destruction during

46.

Altamirano, S., Simmons, C., and Kozubowski,

yeast gametogenesis, Dev. Cell,

23,

35-44, doi:

L. (2018) Colony and single cell level analysis of the

10.1016/j.devcel.2012.05.005.

heterogeneous response of Cryptococcus neoformans to

35.

Duman-Özdamar, Z. E., and Binay, B.

(2021)

fluconazole, Front. Cell Infect. Microbiol., 8, 203, doi:

Production of industrial enzymes via Pichia pastoris

10.3389/fcimb.2018.00203.

as a cell factory in bioreactor: current status and

47.

Marcos, C. M., de Oliveira, H. C., de Melo, W. de C.

future aspects, Protein J., 40, 367-376, doi: 10.1007/

M. A., da Silva, J. de F., Assato, P. A., Scorzoni, L.,

s10930-021-09968-7.

et al. (2016) Anti-immune strategies of pathogenic

36.

Woods, D. R., Ross, I. W., and Hendry, D. A. (1974)

fungi, Front. Cell Infect. Microbiol.,

142, doi:

A new killer factor produced by a killer-sensitive

10.3389/fcimb.2016.00142.

yeast strain, J. Gen. Microbiol., 81, 285-289, doi:

48.

Uwamahoro, N., Verma-Gaur, J., Shen, H.-H.,

10.1099/00221287-81-2-285.

Qu, Y., Lewis, R., Lu, J., et al. (2014) The pathogen

37.

Castagliuolo, I., Riegler, M. F., Valenick, L., LaMont,

Candida albicans hijacks pyroptosis for escape from

J. T., and Pothoulakis, C.

(1999) Saccharomyces

macrophages, MBio,

5, e00003-14, doi:

10.1128/

boulardii protease inhibits the effects of Clostridium

mBio.00003-14.

БИОХИМИЯ том 87 вып. 12 2022

1896

КИРЕЕВА и др.

49. Mukaremera, L., Lee, K. K., Mora-Montes, H. M.,

55. Tipper, D. J., and Schmitt, M. J.

(1991) Yeast

and Gow, N. A. R.

(2017) Candida albicans

dsRNA viruses: replication and killer phenotypes,

yeast, pseudohyphal, and hyphal morphogenesis

Mol. Microbiol.,

2331-2338, doi:

10.1111/

differentially affects immune recognition, Front.

j.1365-2958.1991.tb02078.x.

Immunol., 8, 629, doi: 10.3389/fimmu.2017.00629.

56. Buser, C. C., Jokela, J., and Martin, O. Y. (2021) Scent

50. Rivera, A., Van Epps, H. L., Hohl, T. M., Rizzuto, G.,

of a killer: how could killer yeast boost its dispersal?

and Pamer, E. G.

(2005) Distinct CD4⁺-T-cell

Ecol Evol, 11, 5809-5814, doi: 10.1002/ece3.7534.

responses to live and heat-inactivated Aspergillus

57. Ivanovska, I., and Hardwick, J. M. (2005) Viruses

fumigatus conidia, Infect. Immun., 73, 7170-7179, doi:

activate a genetically conserved cell death pathway in a

10.1128/IAI.73.11.7170-7179.2005.

unicellular organism, J. Cell. Biol., 170, 391-399, doi:

51. Bertheloot, D., Latz, E., and Franklin, B. S. (2021)

10.1083/jcb.200503069.

Necroptosis, pyroptosis and apoptosis: an intricate

58. Ratcliff, W. C., Denison, R. F., Borrello, M., and

game of cell death, Cell Mol. Immunol., 18, 1106-1121,

Travisano, M.

(2012) Experimental evolution of

doi: 10.1038/s41423-020-00630-3.

multicellularity, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 109, 1595-

52. Hampton, H. G., Watson, B. N. J., and Fineran, P. C.

1600, doi: 10.1073/pnas.1115323109.

(2020) The arms race between bacteria and their

59. Durand, P. M., Rashidi, A., and Michod, R. E.

phage foes, Nature,

577,

327-336, doi:

10.1038/

(2011) How an organism dies affects the fitness of

s41586-019-1894-8.

its neighbors, Am. Nat., 177, 224-232, doi: 10.1086/

53. Smith, R. P., Barraza, I., Quinn, R. J., and Fortoul,

657686.

M. C. (2020) The mechanisms and cell signaling

60. Zhang, Y., Chen, X., Gueydan, C., and Han, J. (2018)

pathways of programmed cell death in the bacterial

Plasma membrane changes during programmed cell

world, Int. Rev. Cell. Mol. Biol., 352, 1-53, doi:

deaths, Cell Res., 28, 9-21, doi: 10.1038/cr.2017.133.

10.1016/bs.ircmb.2019.12.002.

61. Kayagaki, N., Kornfeld, O. S., Lee, B. L., Stowe, I.

54. Schmitt, M. J., and Breinig, F. (2006) Yeast viral

B., O’Rourke, K., Li, Q., et al. (2021) NINJ1 mediates

killer toxins: lethality and self-protection, Nat. Rev.

plasma membrane rupture during lytic cell death,

Microbiol., 4, 212-221, doi: 10.1038/nrmicro1347.

Nature, 591, 131-136, doi: 10.1038/s41586-021-03218-7.

ROLE OF DEAD CELLS IN COLLECTIVE STRESS TOLERANCE IN MICROBIAL

COMMUNITIES: EVIDENCE FROM YEAST

Review

N. A. Kireeva^1,2#, K. V. Galkina^1#, S. S. Sokolov¹, and D. A. Knorre¹*

¹Belozersky Institute of Physico-Chemical Biology, Lomonosov Moscow State University,

119992 Moscow, Russia; e-mail: knorre@belozersky.msu.ru

²Faculty of Bioengineering and Bioinformatics, Lomonosov Moscow State University, 119234 Moscow, Russia

A substantial part of yeast life cycle takes place in the communities where the cells are surrounded by their own

clones. Meanwhile, yeast cell fitness depends not only on its own adaptations but also on the processes in the

neighboring cells. Moreover, even if a cell loses its clonogenic ability, it is still capable of protecting surrounding

cells that are still alive. Dead cells can absorb lipophilic antibiotics and provide nutrients to their kin neighbors.

Some enzymes can be released into the environment and detoxify exogenous toxins. For example, cytosolic

catalase, which degrades hydrogen peroxide, can stay active outside of the cell. Inviable cells of pathogenic

yeast species can suppress host immune responses and, in this way, boost the spread of the pathogen. In this

review, we speculate that the biochemical processes in dying cells can contribute to stress resistance to the

alive kin cells and therefore be a subject of natural selection. We considered the possible scenarios of how

dead microbial cells can increase the survival of their kin using unicellular fungi - baker’s yeast Saccharomyces

cerevisiae as an example. We conclude that evolutionary conserved mechanisms of programmed cell death in

yeast are likely to include a module of early permeabilization of the cell plasma membrane rather than preserve

its integrity.

Keywords: regulated cell death, functional differentiation, stress resistance, cell-to-cell communication, yeast

БИОХИМИЯ том 87 вып. 12 2022