stringtranslate.com

Двухкомпонентная система регулирования

В молекулярной биологии двухкомпонентная регуляторная система служит в качестве основного механизма связи стимул-реакция, позволяющего организмам ощущать и реагировать на изменения во многих различных условиях окружающей среды. [1] Двухкомпонентные системы обычно состоят из мембраносвязанной гистидинкиназы , которая ощущает определенный стимул окружающей среды , и соответствующего регулятора ответа , который опосредует клеточный ответ, в основном посредством дифференциальной экспрессии целевых генов . [2] Хотя двухкомпонентные сигнальные системы встречаются во всех доменах жизни , они наиболее распространены у бактерий , особенно у грамотрицательных и цианобактерий ; как гистидинкиназы, так и регуляторы ответа являются одними из крупнейших семейств генов у бактерий. [3] Они гораздо менее распространены у архей и эукариот ; хотя они появляются у дрожжей , нитчатых грибов и миксомицетов и распространены у растений , [1] двухкомпонентные системы были описаны как «явно отсутствующие» у животных . [3]

Механизм

Двухкомпонентные системы осуществляют передачу сигнала посредством фосфорилирования регулятора ответа (RR) гистидинкиназой ( HK). Гистидинкиназы, как правило, являются гомодимерными трансмембранными белками, содержащими домен фосфопереноса гистидина и домен связывания АТФ, хотя имеются сообщения о примерах гистидинкиназ в атипичных семействах HWE и HisKA2, которые не являются гомодимерами. [4] Регуляторы ответа могут состоять только из домена-приемника, но обычно представляют собой многодоменные белки с доменом-приемником и по крайней мере одним эффекторным или выходным доменом, часто участвующим в связывании ДНК . [3] При обнаружении определенного изменения во внеклеточной среде HK выполняет реакцию автофосфорилирования , перенося фосфорильную группу с аденозинтрифосфата (АТФ) на определенный остаток гистидина . Затем родственный регулятор ответа (RR) катализирует перенос фосфорильной группы на остаток аспартата на домене -приемнике регулятора ответа . [5] [6] Обычно это вызывает конформационное изменение , которое активирует эффекторный домен RR, который, в свою очередь, вызывает клеточный ответ на сигнал, обычно путем стимуляции (или подавления) экспрессии целевых генов . [3]

Многие HK являются бифункциональными и обладают фосфатазной активностью против своих родственных регуляторов ответа, так что их сигнальный выход отражает баланс между их киназной и фосфатазной активностью. Многие регуляторы ответа также автодефосфорилируют, [7] и относительно лабильный фосфоаспартат также может быть гидролизован неферментативно. [1] Общий уровень фосфорилирования регулятора ответа в конечном итоге контролирует его активность. [1] [8]

Фосфореле

Некоторые гистидинкиназы являются гибридами, которые содержат внутренний домен-приемник. В этих случаях гибридный HK автофосфорилирует и затем переносит фосфорильную группу на свой собственный внутренний домен-приемник, а не на отдельный белок RR. Затем фосфорильная группа перемещается на гистидинфосфотрансферазу (HPT) и затем на терминальный RR, который может вызвать желаемый ответ. [9] [10] Эта система называется фосфорелей . Почти 25% бактериальных HK относятся к гибридному типу, как и подавляющее большинство эукариотических HK. [3]

Функция

Двухкомпонентные системы передачи сигнала позволяют бактериям чувствовать, реагировать и адаптироваться к широкому спектру сред, стрессоров и условий роста . [11] Эти пути были адаптированы для реагирования на широкий спектр стимулов, включая питательные вещества , окислительно-восстановительное состояние клеток , изменения осмолярности , сигналы кворума , антибиотики , температуру , хемоаттрактанты , pH и многое другое. [12] [13] Среднее количество двухкомпонентных систем в бактериальном геноме оценивается примерно в 30, [14] или около 1–2% генома прокариот. [15] У некоторых бактерий их вообще нет — обычно это эндосимбионты и патогены, — а у других их более 200. [16] [17] Все такие системы должны тщательно регулироваться , чтобы предотвратить перекрестные помехи, что редко встречается in vivo . [18]

В Escherichia coli двухкомпонентная осморегуляторная система EnvZ/OmpR контролирует дифференциальную экспрессию внешних мембранных поринов OmpF и OmpC. [19] Сенсорные киназы KdpD регулируют оперон kdpFABC, отвечающий за транспорт калия в бактериях, включая E. coli и Clostridium acetobutylicum . [20] N-концевой домен этого белка образует часть цитоплазматической области белка, которая может быть сенсорным доменом, отвечающим за определение тургорного давления. [21]

Гистидинкиназы

Сигнальные трансдуцирующие гистидинкиназы являются ключевыми элементами в двухкомпонентных системах передачи сигнала. [22] [23] Примерами гистидинкиназ являются EnvZ, которая играет центральную роль в осморегуляции , [24] и CheA, которая играет центральную роль в системе хемотаксиса . [25] Гистидинкиназы обычно имеют N-концевой лиганд- связывающий домен и C-концевой киназный домен, но могут присутствовать и другие домены . Домен киназы отвечает за аутофосфорилирование гистидина с АТФ, фосфоперенос от киназы к аспартату регулятора ответа и (с бифункциональными ферментами) фосфоперенос от аспартилфосфата к воде . [26] Ядро киназы имеет уникальную складку, отличную от таковой суперсемейства киназ Ser/Thr/Tyr .

HK можно грубо разделить на два класса: ортодоксальные и гибридные киназы. [27] [28] Большинство ортодоксальных HK, типичным представителем которых является белок EnvZ E. coli , функционируют как рецепторы периплазматической мембраны и имеют сигнальный пептид и трансмембранный сегмент(ы), которые разделяют белок на периплазматический N-концевой сенсорный домен и высококонсервативное цитоплазматическое C-концевое ядро ​​киназы. Однако члены этого семейства имеют интегральный мембранный сенсорный домен. Не все ортодоксальные киназы связаны с мембраной , например, азотная регуляторная киназа NtrB (GlnL) является растворимой цитоплазматической HK. [6] Гибридные киназы содержат несколько фосфодонорных и фосфоакцепторных участков и используют многоступенчатые схемы фосфорной передачи вместо того, чтобы способствовать одному переносу фосфорила. Помимо сенсорного домена и ядра киназы, они содержат домен-приемник, подобный CheY, и домен переноса фосфора (His-содержащий).

Эволюция

Количество двухкомпонентных систем, присутствующих в бактериальном геноме, тесно связано с размером генома, а также с экологической нишей ; бактерии, которые занимают ниши с частыми колебаниями окружающей среды, обладают большим количеством гистидинкиназ и регуляторов реакции. [3] [29] Новые двухкомпонентные системы могут возникать путем дупликации генов или путем латерального переноса генов , и относительные скорости каждого процесса значительно различаются у разных видов бактерий. [30] В большинстве случаев гены регуляторов реакции расположены в том же опероне , что и их родственная гистидинкиназа; [3] латеральный перенос генов с большей вероятностью сохранит структуру оперона, чем дупликация генов. [30]

У эукариот

Двухкомпонентные системы редки у эукариот . Они встречаются у дрожжей , нитчатых грибов и слизевиков и относительно распространены у растений , но были описаны как «явно отсутствующие» у животных . [3] Двухкомпонентные системы у эукариот, вероятно, происходят из латерального переноса генов , часто из эндосимбиотических органелл, и, как правило, относятся к типу гибридной киназы фосфорелей. [3] Например, у дрожжей Candida albicans гены, обнаруженные в ядерном геноме, вероятно, произошли из эндосимбиоза и остаются нацеленными на митохондрии . [31] Двухкомпонентные системы хорошо интегрированы в сигнальные пути развития у растений, но гены, вероятно, произошли из латерального переноса генов из хлоропластов . [3] Примером является ген сенсорной киназы хлоропласта (CSK) в Arabidopsis thaliana , полученный из хлоропластов, но теперь интегрированный в ядерный геном. Функция CSK обеспечивает регуляторную систему на основе окислительно-восстановительного потенциала , которая связывает фотосинтез с экспрессией генов хлоропластов ; это наблюдение было описано как ключевое предсказание гипотезы CoRR , которая направлена ​​на объяснение сохранения генов, кодируемых эндосимбиотическими органеллами. [32] [33]

Неясно, почему канонические двухкомпонентные системы редки у эукариот, поскольку многие схожие функции были взяты на себя сигнальными системами, основанными на сериновых , треониновых или тирозинкиназах ; предполагалось, что за это отвечает химическая нестабильность фосфоаспартата, и что повышенная стабильность необходима для передачи сигналов в более сложных эукариотических клетках. [3] Примечательно, что перекрестные помехи между сигнальными механизмами очень распространены в эукариотических сигнальных системах, но редки в бактериальных двухкомпонентных системах. [34]

Биоинформатика

Из-за сходства последовательностей и структуры оперона многие двухкомпонентные системы, особенно гистидинкиназы, относительно легко идентифицировать с помощью биоинформатического анализа. (В отличие от этого, эукариотические киназы обычно легко идентифицируются, но их нелегко связать со своими субстратами .) [3] База данных прокариотических двухкомпонентных систем, называемая P2CS, была составлена ​​для документирования и классификации известных примеров, а в некоторых случаях и для прогнозирования родственных им «сиротских» гистидинкиназ или белков-регуляторов реакции, которые генетически не связаны с партнером. [35] [36]

Ссылки

  1. ^ abcd Stock AM, Robinson VL, Goudreau PN (2000). «Двухкомпонентная сигнальная трансдукция». Annual Review of Biochemistry . 69 (1): 183–215. doi :10.1146/annurev.biochem.69.1.183. PMID  10966457.
  2. ^ Mascher T, Helmann JD, Unden G (декабрь 2006 г.). «Восприятие стимула в бактериальных сигнальных гистидинкиназах». Microbiology and Molecular Biology Reviews . 70 (4): 910–38. doi :10.1128/MMBR.00020-06. PMC 1698512. PMID  17158704 . 
  3. ^ abcdefghijkl Capra EJ, Laub MT (2012). «Эволюция двухкомпонентных систем передачи сигнала». Annual Review of Microbiology . 66 : 325–47. doi :10.1146/annurev-micro-092611-150039. PMC 4097194. PMID 22746333  . 
  4. ^ Herrou, J; Crosson, S; Fiebig, A (февраль 2017 г.). «Структура и функция сенсорных гистидиновых киназ семейства HWE/HisKA2». Curr. Opin. Microbiol . 36 : 47–54. doi : 10.1016/j.mib.2017.01.008. PMC 5534388. PMID  28193573 . 
  5. ^ Sanders DA, Gillece-Castro BL, Stock AM, Burlingame AL, Koshland DE (декабрь 1989 г.). «Идентификация места фосфорилирования белка-регулятора хемотаксиса, CheY». Журнал биологической химии . 264 (36): 21770–8. doi : 10.1016/S0021-9258(20)88250-7 . PMID  2689446.
  6. ^ ab Sanders DA, Gillece-Castro BL, Burlingame AL, Koshland DE (август 1992 г.). "Сайт фосфорилирования NtrC, протеинфосфатазы, ковалентный промежуточный продукт которой активирует транскрипцию". Journal of Bacteriology . 174 (15): 5117–22. doi :10.1128/jb.174.15.5117-5122.1992. PMC 206329 . PMID  1321122. 
  7. ^ West AH, Stock AM (июнь 2001 г.). «Гистидинкиназы и белки-регуляторы ответа в двухкомпонентных сигнальных системах». Trends in Biochemical Sciences . 26 (6): 369–76. doi :10.1016/s0968-0004(01)01852-7. PMID  11406410.
  8. ^ Stock JB, Ninfa AJ, Stock AM (декабрь 1989 г.). «Фосфорилирование белков и регуляция адаптивных реакций у бактерий». Microbiological Reviews . 53 (4): 450–90. doi :10.1128/MMBR.53.4.450-490.1989. PMC 372749 . PMID  2556636. 
  9. ^ Varughese KI (апрель 2002 г.). «Молекулярное распознавание бактериальных фосфорелирующих белков». Current Opinion in Microbiology . 5 (2): 142–8. ​​doi :10.1016/S1369-5274(02)00305-3. PMID  11934609.
  10. ^ Hoch JA, Varughese KI (сентябрь 2001 г.). «Сохранение прямых сигналов при трансдукции фосфорелейного сигнала». Журнал бактериологии . 183 (17): 4941–9. doi :10.1128/jb.183.17.4941-4949.2001. PMC 95367. PMID  11489844 . 
  11. ^ Skerker JM, Prasol MS, Perchuk BS, Biondi EG, Laub MT (октябрь 2005 г.). «Двухкомпонентные пути передачи сигнала, регулирующие рост и прогрессирование клеточного цикла у бактерий: системный анализ». PLOS Biology . 3 (10): e334. doi : 10.1371/journal.pbio.0030334 . PMC 1233412. PMID  16176121 . 
  12. ^ Wolanin PM, Thomason PA, Stock JB (сентябрь 2002 г.). «Гистидиновые протеинкиназы: ключевые сигнальные преобразователи за пределами животного мира». Genome Biology . 3 (10): REVIEWS3013. doi : 10.1186/gb-2002-3-10-reviews3013 . PMC 244915. PMID  12372152 . 
  13. ^ Attwood PV, Piggott MJ, Zu XL, Besant PG (январь 2007 г.). «В центре внимания фосфогистидин». Аминокислоты . 32 (1): 145–56. doi :10.1007/s00726-006-0443-6. PMID  17103118. S2CID  6912202.
  14. ^ Шаллер, GE; Шиу, SH; Армитидж, JP (10 мая 2011 г.). «Двухкомпонентные системы и их кооптация для передачи эукариотического сигнала». Current Biology . 21 (9): R320–30. doi : 10.1016/j.cub.2011.02.045 . PMID  21549954. S2CID  18423129.
  15. ^ Сальвадо, Б.; Вилаприньо, Э.; Соррибас, А.; Алвес, Р. (2015). «Обзор доменов HK, HPt и RR и их организация в двухкомпонентных системах и фосфорелирующих белках организмов с полностью секвенированными геномами». PeerJ . 3 : e1183. doi : 10.7717/peerj.1183 . PMC 4558063 . PMID  26339559. 
  16. ^ Wuichet, K; Cantwell, BJ; Zhulin, IB (апрель 2010 г.). «Эволюция и филетическое распределение двухкомпонентных систем передачи сигнала». Current Opinion in Microbiology . 13 (2): 219–25. doi :10.1016/j.mib.2009.12.011. PMC 3391504. PMID  20133179 . 
  17. ^ Ши, X; Вегенер-Фельдбрюгге, С; Хантли, С; Хаманн, Н; Хеддерих, Р; Согаард-Андерсен, Л. (январь 2008 г.). «Биоинформатика и экспериментальный анализ белков двухкомпонентных систем Myxococcus xanthus». Журнал бактериологии . 190 (2): 613–24. дои : 10.1128/jb.01502-07. ПМК 2223698 . ПМИД  17993514. 
  18. ^ Laub MT, Goulian M (2007). «Специфичность двухкомпонентных путей передачи сигнала». Annual Review of Genetics . 41 : 121–45. doi : 10.1146/annurev.genet.41.042007.170548. PMID  18076326.
  19. ^ Buckler DR, Anand GS, Stock AM (апрель 2000 г.). «Фосфорилирование и активация регулятора ответа: улица с двусторонним движением?». Trends in Microbiology . 8 (4): 153–6. doi :10.1016/S0966-842X(00)01707-8. PMID  10754569. S2CID  39589537.
  20. ^ Treuner-Lange A, Kuhn A, Dürre P (июль 1997 г.). «Система kdp Clostridium acetobutylicum: клонирование, секвенирование и транскрипционная регуляция в ответ на концентрацию калия». Журнал бактериологии . 179 (14): 4501–12. doi :10.1128/jb.179.14.4501-4512.1997. PMC 179285. PMID  9226259 . 
  21. ^ Walderhaug MO, Polarek JW, Voelkner P, Daniel JM, Hesse JE, Altendorf K, Epstein W (апрель 1992 г.). «KdpD и KdpE, белки, которые контролируют экспрессию оперона kdpABC, являются членами двухкомпонентного сенсорно-эффекторного класса регуляторов». Журнал бактериологии . 174 (7): 2152–9. doi :10.1128/jb.174.7.2152-2159.1992. PMC 205833. PMID  1532388 . 
  22. ^ Perego M, Hoch JA (март 1996). «Протеиновые аспартатфосфатазы контролируют выход двухкомпонентных систем передачи сигнала». Trends in Genetics . 12 (3): 97–101. doi :10.1016/0168-9525(96)81420-X. PMID  8868347.
  23. ^ West AH, Stock AM (июнь 2001 г.). «Гистидинкиназы и белки-регуляторы ответа в двухкомпонентных сигнальных системах». Trends in Biochemical Sciences . 26 (6): 369–76. doi :10.1016/S0968-0004(01)01852-7. PMID  11406410.
  24. ^ Tomomori C, Tanaka T, Dutta R, Park H, Saha SK, Zhu Y, Ishima R, Liu D, Tong KI, Kurokawa H, Qian H, Inouye M, Ikura M (август 1999). "Структура раствора гомодимерного основного домена гистидинкиназы EnvZ Escherichia coli". Nature Structural Biology . 6 (8): 729–34. doi :10.1038/11495. PMID  10426948. S2CID  23334643.
  25. ^ Bilwes AM, Alex LA, Crane BR, Simon MI (январь 1999). «Структура CheA, сигнал-трансдуцирующей гистидинкиназы». Cell . 96 (1): 131–41. doi : 10.1016/S0092-8674(00)80966-6 . PMID  9989504. S2CID  16842653.
  26. ^ Vierstra RD, Davis SJ (декабрь 2000 г.). «Бактериофитохромы: новые инструменты для понимания передачи сигнала фитохрома». Семинары по клеточной и эволюционной биологии . 11 (6): 511–21. doi :10.1006/scdb.2000.0206. PMID  11145881.
  27. ^ Алекс LA, Саймон MI (апрель 1994). «Протеиновые гистидинкиназы и сигнальная трансдукция у прокариот и эукариот». Тенденции в генетике . 10 (4): 133–8. doi :10.1016/0168-9525(94)90215-1. PMID  8029829.
  28. ^ Parkinson JS, Kofoid EC (1992). «Модули связи в бактериальных сигнальных белках». Annual Review of Genetics . 26 : 71–112. doi :10.1146/annurev.ge.26.120192.000443. PMID  1482126.
  29. ^ Гальперин М.Ю. (июнь 2006 г.). «Структурная классификация регуляторов бактериального ответа: разнообразие выходных доменов и комбинаций доменов». Журнал бактериологии . 188 (12): 4169–82. doi :10.1128/JB.01887-05. PMC 1482966. PMID 16740923  . 
  30. ^ ab Alm E, Huang K, Arkin A (ноябрь 2006 г.). «Эволюция двухкомпонентных систем у бактерий выявляет различные стратегии адаптации ниши». PLOS Computational Biology . 2 (11): e143. Bibcode : 2006PLSCB ...2..143A. doi : 10.1371/journal.pcbi.0020143 . PMC 1630713. PMID  17083272. 
  31. ^ Mavrianos J, Berkow EL, Desai C, Pandey A, Batish M, Rabadi MJ, Barker KS, Pain D, Rogers PD, Eugenin EA, Chauhan N (июнь 2013 г.). «Митохондриальные двухкомпонентные сигнальные системы у Candida albicans». Eukaryotic Cell . 12 (6): 913–22. doi :10.1128/EC.00048-13. PMC 3675996. PMID  23584995 . 
  32. ^ Puthiyaveetil S, Kavanagh TA, Cain P, Sullivan JA, Newell CA, Gray JC, Robinson C, van der Giezen M, Rogers MB, Allen JF (июль 2008 г.). «Предковая сенсорная киназа симбионта CSK связывает фотосинтез с экспрессией генов в хлоропластах». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 105 (29): 10061–6. Bibcode : 2008PNAS..10510061P. doi : 10.1073 /pnas.0803928105 . PMC 2474565. PMID  18632566. 
  33. ^ Allen JF (август 2015 г.). «Почему хлоропласты и митохондрии сохраняют свои собственные геномы и генетические системы: колокация для окислительно-восстановительной регуляции экспрессии генов». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 112 (33): 10231–8. Bibcode : 2015PNAS..11210231A. doi : 10.1073/pnas.1500012112 . PMC 4547249. PMID  26286985 . 
  34. ^ Rowland MA, Deeds EJ (апрель 2014 г.). «Перекрестные помехи и эволюция специфичности в двухкомпонентной сигнализации». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 111 (15): 5550–5. Bibcode : 2014PNAS..111.5550R. doi : 10.1073/pnas.1317178111 . PMC 3992699. PMID  24706803 . 
  35. ^ Barakat M, Ortet P, Whitworth DE (январь 2011 г.). "P2CS: база данных прокариотических двухкомпонентных систем". Nucleic Acids Research . 39 (выпуск базы данных): D771–6. doi :10.1093/nar/gkq1023. PMC 3013651. PMID  21051349 . 
  36. ^ Ortet P, Whitworth DE, Santaella C, Achouak W, Barakat M (январь 2015 г.). "P2CS: обновления базы данных прокариотических двухкомпонентных систем". Nucleic Acids Research . 43 (выпуск базы данных): D536–41. doi :10.1093/nar/gku968. PMC 4384028. PMID  25324303 . 

Внешние ссылки

В статье использован текст из общедоступных источников Pfam и InterPro : IPR011712
В статье использован текст из общедоступных источников Pfam и InterPro : IPR010559
В статье использован текст из общедоступных источников Pfam и InterPro : IPR003661
В статье использован текст из общедоступных источников Pfam и InterPro : IPR011495
В статье использован текст из общедоступных источников Pfam и InterPro : IPR004105
В статье использован текст из общедоступных источников Pfam и InterPro : IPR011126
В статье использован текст из общедоступных источников Pfam и InterPro : IPR003852