stringtranslate.com

Сигма-фактор

Сигма -фактор ( σ-фактор или фактор специфичности ) — это белок, необходимый для инициации транскрипции у бактерий . [1] [2] Это бактериальный фактор инициации транскрипции, который обеспечивает специфическое связывание РНК-полимеразы (РНКП) с промоторами генов . Он гомологичен архейному фактору транскрипции B и эукариотическому фактору TFIIB . [3] Конкретный сигма-фактор, используемый для инициации транскрипции данного гена, будет различаться в зависимости от гена и сигналов окружающей среды, необходимых для инициации транскрипции этого гена. Выбор промоторов РНК-полимеразой зависит от сигма-фактора, который с ней ассоциируется. [4] Они также обнаружены в хлоропластах растений как часть бактериоподобной полимеразы, кодируемой пластидами (PEP). [5]

Сигма-фактор вместе с РНК-полимеразой известен как голофермент РНК-полимеразы . Каждая молекула голофермента РНК-полимеразы содержит ровно одну субъединицу сигма-фактора, которая в модельной бактерии Escherichia coli является одной из перечисленных ниже. Количество сигма-факторов варьируется между видами бактерий. [1] [6] У E. coli есть семь сигма-факторов. Сигма-факторы различаются по характерным молекулярным массам . Например, σ 70 — это сигма-фактор с молекулярной массой 70 кДа .

Сигма-фактор в комплексе холофермента РНК-полимеразы необходим для инициации транскрипции, хотя после завершения этой стадии он отделяется от комплекса, и РНК-полимераза продолжает удлинение самостоятельно.

Специализированные сигма-факторы

Различные сигма-факторы используются в различных условиях окружающей среды. Эти специализированные сигма-факторы связывают промоторы генов, соответствующие условиям окружающей среды, увеличивая транскрипцию этих генов.

Сигма-факторы в E. coli :

Существуют также антисигма-факторы , которые подавляют функцию сигма-факторов, и анти-антисигма-факторы, которые восстанавливают функцию сигма-фактора.

Структура

Организация домена, распознавание промотора и структурная организация семейства σ 70. ( a ) Организация домена σ-факторов из групп 1, 3 и 4 проиллюстрирована выше консенсусной ДНК промотора σ 70 E. coli. ( b ) Организация σ70 E. coli в комплексе инициации транскрипции РНК-полимеразы. (PDB 4YLN).

По сходству последовательностей большинство сигма-факторов являются σ 70 -подобными ( InterPro :  IPR000943 ). Они имеют четыре основных региона (домена), которые, как правило, консервативны:

N-конец --------------------- C-конец 1.1 2 3 4

Регионы далее подразделяются. Например, регион 2 включает 1.2 и 2.1 по 2.4.

Домен 1.1 обнаружен только в «первичных сигма-факторах» (RpoD, RpoS в E.coli ; «Группа 1»). Он участвует в обеспечении того, чтобы сигма-фактор связывался с промотором только в комплексе с РНК-полимеразой. [7] Домены 2-4 взаимодействуют со специфическими элементами промотора и с РНК-полимеразой. Регион 2.4 распознает и связывается с элементом промотора -10 (называемым « боксом Прибнова »). Регион 4.2 распознает и связывается с элементом промотора -35. [7]

Не каждый сигма-фактор семейства σ 70 содержит все домены. Группа 2, которая включает RpoS, очень похожа на группу 1, но в ней отсутствует домен 1. Группа 3 также не имеет домена 1 и включает σ 28. Группа 4, также известная как группа экстрацитоплазматической функции (ECF), не имеет как σ1.1, так и σ3. RpoE является ее членом. [7]

Другие известные сигма-факторы относятся к типу σ 54 /RpoN ( InterPro :  IPR000394 ). Они являются функциональными сигма-факторами, но имеют существенно отличающиеся первичные аминокислотные последовательности. [8]

Сохранение во время элонгации транскрипции

Основная РНК-полимераза (состоящая из 2 альфа (α), 1 бета (β), 1 бета-прим (β') и 1 омега (ω) субъединиц) связывает сигма-фактор, образуя комплекс, называемый голоферментом РНК-полимеразы . Ранее считалось, что голофермент РНК-полимеразы инициирует транскрипцию, в то время как основная РНК-полимераза синтезирует РНК самостоятельно. Таким образом, общепринятой была точка зрения, что сигма-фактор должен диссоциировать при переходе от инициации транскрипции к элонгации транскрипции (этот переход называется «ускользание промотора»). Эта точка зрения была основана на анализе очищенных комплексов РНК-полимеразы, остановившихся при инициации и элонгации. Наконец, структурные модели комплексов РНК-полимеразы предсказали, что по мере того, как растущий продукт РНК становится длиннее ~15 нуклеотидов, сигма должна быть «вытолкнута» из голофермента, поскольку существует стерическое столкновение между РНК и доменом сигма. Однако σ 70 может оставаться прикрепленным в комплексе с основной РНК-полимеразой на ранней стадии удлинения [9] , а иногда и на протяжении всего удлинения. [10] Действительно, явление промоторно-проксимальной паузы указывает на то, что сигма играет роль на ранней стадии удлинения. Все исследования согласуются с предположением, что ускользание промотора сокращает продолжительность взаимодействия сигма-ядро с очень большой при инициации (слишком большой, чтобы измерить в типичном биохимическом эксперименте) до более короткой, измеримой продолжительности при переходе к удлинению.

Сигма-цикл

Долгое время считалось, что сигма-фактор обязательно покидает основной фермент после того, как он инициировал транскрипцию, что позволяет ему связываться с другим основным ферментом и инициировать транскрипцию в другом месте. Таким образом, сигма-фактор будет циклически перемещаться от одного ядра к другому. Однако флуоресцентный резонансный перенос энергии использовался для того, чтобы показать, что сигма-фактор не обязательно покидает ядро. [9] Вместо этого он изменяет свою связь с ядром во время инициации и удлинения. Таким образом, сигма-фактор циклически перемещается между сильно связанным состоянием во время инициации и слабо связанным состоянием во время удлинения.

Конкуренция сигма-фактора

Было показано, что количество РНК-полимераз в бактериальных клетках (например, E. coli ) меньше количества сигма-факторов. Следовательно, если определенный сигма-фактор сверхэкспрессируется, не только увеличится уровень экспрессии генов, промоторы которых имеют предпочтение к этому сигма-фактору, но и снизится вероятность того, что гены с промоторами с предпочтением к другим сигма-факторам. [11] [12] [13] [14]

Между тем, инициация транскрипции имеет два основных лимитирующих скорость шага: образование закрытого и открытого комплекса. Однако только динамика первого шага зависит от концентрации сигма-факторов. Интересно, что чем быстрее происходит образование закрытого комплекса по сравнению с образованием открытого комплекса, тем менее восприимчив промоутер к изменениям концентрации сигма-факторов (см. [14] для модели и эмпирических данных этого явления).

Гены с двойным предпочтением сигма-фактора

В то время как большинство генов E. coli могут быть распознаны РНК-полимеразой с одним и только одним типом сигма-фактора (например, сигма 70), несколько генов (~ 5%) имеют то, что называется «предпочтением двойного сигма-фактора» [15] , то есть они могут реагировать на два разных сигма-фактора, как сообщается в RegulonDB. [16] Наиболее распространенными являются промоторы, которые могут реагировать как на сигма 70, так и на сигма 38 (показано на рисунке). Исследования динамики этих генов показали, что когда клетки входят в стационарный рост, они почти так же индуцируются, как и те гены, которые имеют предпочтение только к σ38. Было показано, что этот уровень индукции предсказуем из их промоторной последовательности. [15] Модель их динамики показана на рисунке. В будущем эти промоторы могут стать полезными инструментами в синтетических генетических конструкциях в E. coli .

Слева : иллюстрация генов, промоторы которых могут распознаваться как сигма 70 (зеленый), так и сигма 38 (синий). Показаны РНК-полимеразы, несущие два разных сигма-фактора, и любой из них может связываться с промоторной областью (серый прямоугольник). Справа : Модель, предложенная в [15] этих генов. Модель состоит из двухэтапного процесса экспрессии гена (транскрипция, за которой следует трансляция). Константа скорости транскрипции (k t ) учитывает возможность связывания любой РНК-полимеразы (несущей сигма 70 и несущей сигма 38). Модель также включает трансляцию (константа скорости kt), а также деградацию РНК и белка до «ничего», представленного «перечеркнутым нулевым глифом».

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abcde Gruber TM, Gross CA (2003). «Множественные сигма-субъединицы и разделение бактериального транскрипционного пространства». Annual Review of Microbiology . 57 : 441–66. doi :10.1146/annurev.micro.57.030502.090913. PMID  14527287.
  2. ^ Kang JG, Hahn MY, Ishihama A, Roe JH (июль 1997 г.). «Идентификация сигма-факторов для селективности промотора РНК-полимераз, связанной с фазой роста, из Streptomyces coelicolor A3(2)». Nucleic Acids Research . 25 (13): 2566–73. doi :10.1093/nar/25.13.2566. PMC 146787 . PMID  9185565. 
  3. ^ Burton SP, Burton ZF (6 ноября 2014 г.). «Загадка σ: бактериальные σ-факторы, архейный TFB и эукариотический TFIIB являются гомологами». Транскрипция . 5 (4): e967599. doi :10.4161/21541264.2014.967599. PMC 4581349 . PMID  25483602. 
  4. ^ Ho TD, Ellermeier CD (апрель 2012 г.). «Активация фактора σ экстрацитоплазматической функции». Current Opinion in Microbiology . 15 (2): 182–8. doi :10.1016/j.mib.2012.01.001. PMC 3320685. PMID  22381678 . 
  5. ^ Schweer J, Türkeri H, Kolpack A, Link G (декабрь 2010 г.). «Роль и регулирование факторов пластидной сигма-реакции и их функциональных интеракторов во время транскрипции хлоропластов — недавние уроки Arabidopsis thaliana». European Journal of Cell Biology . 89 (12): 940–6. doi :10.1016/j.ejcb.2010.06.016. PMID  20701995.
  6. ^ Sharma UK, Chatterji D (сентябрь 2010 г.). «Транскрипционное переключение в Escherichia coli во время стресса и голодания путем модуляции сигма-активности». FEMS Microbiology Reviews . 34 (5): 646–57. doi : 10.1111/j.1574-6976.2010.00223.x . PMID  20491934.
  7. ^ abc Paget MS (июнь 2015 г.). «Бактериальные сигма-факторы и анти-сигма-факторы: структура, функция и распределение». Биомолекулы . 5 (3): 1245–65. doi : 10.3390/biom5031245 . PMC 4598750. PMID  26131973 . 
  8. ^ Merrick MJ (декабрь 1993 г.). «В своем собственном классе — фактор сигма РНК-полимеразы сигма 54 (сигма N)». Молекулярная микробиология . 10 (5): 903–9. doi :10.1111/j.1365-2958.1993.tb00961.x. PMID  7934866. S2CID  84789281.
  9. ^ ab Kapanidis AN, Margeat E, Laurence TA, Doose S, Ho SO, Mukhopadhyay J, Kortkhonjia E, Mekler V, Ebright RH, Weiss S (ноябрь 2005 г.). "Сохранение фактора инициации транскрипции sigma70 при удлинении транскрипции: анализ отдельных молекул". Molecular Cell . 20 (3): 347–56. doi : 10.1016/j.molcel.2005.10.012 . PMID  16285917.
  10. ^ Harden TT, Wells CD, Friedman LJ, Landick R, Hochschild A, Kondev J, Gelles J (январь 2016 г.). «Бактериальная РНК-полимераза может сохранять σ70 на протяжении всей транскрипции». Proc Natl Acad Sci USA . 113 (3): 602–7. Bibcode :2016PNAS..113..602H. doi : 10.1073/pnas.1513899113 . PMC 4725480 . PMID  26733675. 
  11. ^ Jishage, M; Ishihama, A (декабрь 1995 г.). «Регуляция синтеза субъединицы сигма РНК-полимеразы в Escherichia coli: внутриклеточные уровни сигма 70 и сигма 38». Journal of Bacteriology . 177 (23): 6832–6835. doi :10.1128/jb.177.23.6832-6835.1995. ISSN  0021-9193. PMC 177550 . PMID  7592475. 
  12. ^ Jishage, M; Iwata, A; Ueda, S; Ishihama, A (сентябрь 1996 г.). «Регуляция синтеза сигма-субъединицы РНК-полимеразы в Escherichia coli: внутриклеточные уровни четырех видов сигма-субъединицы при различных условиях роста». Journal of Bacteriology . 178 (18): 5447–5451. doi :10.1128/jb.178.18.5447-5451.1996. ISSN  0021-9193. PMC 178365 . PMID  8808934. 
  13. ^ Григорова, Ирина Л.; Флегер, Наум Дж.; Муталик, Вивек К.; Гросс, Кэрол А. (2006-04-04). "Взгляд на регуляцию транскрипции и σ-конкуренцию из равновесной модели связывания РНК-полимеразы с ДНК". Труды Национальной академии наук . 103 (14): 5332–5337. Bibcode : 2006PNAS..103.5332G. doi : 10.1073/pnas.0600828103 . ISSN  0027-8424. PMC 1459355. PMID 16567622  . 
  14. ^ ab Kandavalli, Vinodh K.; Tran, Huy; Ribeiro, Andre S. (октябрь 2016 г.). «Эффекты конкуренции σ-фактора зависят от кинетики инициации промотора». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Механизмы регуляции генов . 1859 (10): 1281–1288. doi :10.1016/j.bbagrm.2016.07.011. PMID  27452766.
  15. ^ ab Baptista, Ines SC; Kandavalli, Vinodh; Chauhan, Vatsala; Bahrudeen, Mohamed NM; Almeida, Bilena LB; Palma, Cristina SD; Dash, Suchintak; Ribeiro, Andre S. (апрель 2022 г.). "Модель генов с двойным предпочтением σ-фактора, зависящая от последовательности". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Механизмы регуляции генов . 1865 (3): 194812. doi : 10.1016/j.bbagrm.2022.194812 . hdl : 10362/143501 . PMID  35338024. S2CID  247636833.
  16. ^ Сантос-Завалета, Альберто; Сальгадо, Хеладия; Гама-Кастро, Сокорро; Санчес-Перес, Мишаэль; Гомес-Ромеро, Лаура; Ледезма-Техейда, Даниэла; Гарсиа-Сотело, Хаир Сантьяго; Алькисира-Эрнандес, Кевин; Муньис-Раскадо, Луис Хосе; Пенья-Лоредо, Пабло; Исида-Гутьеррес, Сесилия (08 января 2019 г.). «RegulonDB v 10.5: решение задач по унификации классических и высокопроизводительных знаний о регуляции генов в E. coli K-12». Исследования нуклеиновых кислот . 47 (Д1): Д212–Д220. doi : 10.1093/nar/gky1077. ISSN 0305-1048  . PMC 6324031. PMID  30395280. 

Внешние ссылки