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 РНК-полимеразы-холофермента 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 не имеет домена 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 «ускользанием 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, это не только увеличит уровни экспрессии генов, промоторы которых имеют предпочтение к этому сигма-фактору, но и снизит 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 Капанидис А.Н., Марджат Э., Лоуренс Т.А., Дуз С., Хо СО, Мухопадьяй Дж., Кортхонджиа Э., Меклер В., Эбрайт Р.Х., Вайс С. (ноябрь 2005 г.). «Сохранение фактора инициации транскрипции sigma70 при элонгации транскрипции: анализ одиночных молекул». Молекулярная клетка . 20 (3): 347–56. doi : 10.1016/j.molcel.2005.10.012 . ПМИД  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. ^ аб Кандавалли, Винод К.; Тран, Хай; Рибейро, Андре С. (октябрь 2016 г.). «Эффекты конкуренции σ-факторов 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. ПМИД  27452766.
  15. ^ аб Баптиста, Инес СК; Кандавалли, Винод; Чаухан, Ватсала; Бахрудин, Мохамед Н.М.; Алмейда, Билена Л.Б.; Пальма, Кристина С.Д.; Даш, Сучинтак; Рибейро, Андре С. (апрель 2022 г.). «Последовательность-зависимая модель генов с двойным предпочтением σ-фактора». 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