stringtranslate.com

Регулятор реакции

В молекулярной биологии регулятор ответа — это белок , который опосредует ответ клетки на изменения в ее среде как часть двухкомпонентной регуляторной системы . Регуляторы ответа связаны со специфическими гистидинкиназами , которые служат датчиками изменений окружающей среды. Регуляторы ответа и гистидинкиназы — два наиболее распространенных семейства генов у бактерий , где двухкомпонентные сигнальные системы очень распространены; они также гораздо реже встречаются в геномах некоторых архей , дрожжей , нитчатых грибов и растений . Двухкомпонентные системы не встречаются у многоклеточных животных . [1] [2] [3] [4]

Функция

Кристаллическая структура белка переноса фосфогистидина дрожжей Ypd1 в комплексе с регулятором ответа Sln1. Ypd1 показан справа с консервативным четырехспиральным пучком желтого цвета и вариабельными спиралями красного цвета. Sln1 показан слева с бета-слоями коричневого цвета и спиралями коричневого цвета. Ключевые остатки — Asp из Sln1 и ​​His из Ypd1 — выделены зелеными палочками. Связанный ион магния показан как оранжевая сфера, а трифторид бериллия , фосфорильный аналог, показан розовым цветом. Из PDB : 2R25 ​. [5]

Белки-регуляторы ответа обычно состоят из домена -получателя и одного или нескольких эффекторных доменов, хотя в некоторых случаях они обладают только доменом-получателем и оказывают свое действие посредством белок-белковых взаимодействий . В двухкомпонентной сигнализации гистидинкиназа реагирует на изменения окружающей среды путем автофосфорилирования остатка гистидина , после чего домен-приемник регулятора ответа катализирует перенос фосфатной группы на свой собственный остаток аспартата- получателя. Это вызывает конформационное изменение , которое изменяет функцию эффекторных доменов, что обычно приводит к увеличению транскрипции целевых генов. Механизмы, посредством которых это происходит, разнообразны и включают аллостерическую активацию эффекторного домена или олигомеризацию фосфорилированных регуляторов ответа. [2] В распространенной вариации на эту тему, называемой фосфорелеем, гибридная гистидинкиназа обладает собственным доменом-получателем, а белок фосфопереноса гистидина выполняет окончательный перенос на регулятор ответа. [4]

Во многих случаях гистидинкиназы являются бифункциональными и также служат фосфатазами , катализируя удаление фосфата из остатков аспартата регулятора ответа, так что сигнал, передаваемый регулятором ответа, отражает баланс между активностью киназы и фосфатазы. [4] Многие регуляторы ответа также способны к аутодефосфорилированию, которое происходит в широком диапазоне временных масштабов. [2] Кроме того, фосфоаспартат относительно химически нестабилен и может гидролизоваться неферментативно. [1]

Гистидинкиназы высокоспецифичны для своих родственных регуляторов ответа; перекрестные помехи между различными двухкомпонентными сигнальными системами в одной и той же клетке очень незначительны. [6]

Классификация

Регуляторы ответа можно разделить по крайней мере на три широких класса, основываясь на особенностях эффекторных доменов: регуляторы с ДНК-связывающим эффекторным доменом, регуляторы с ферментативным эффекторным доменом и однодоменные регуляторы ответа. [3] Возможны более полные классификации, основанные на более детальном анализе архитектуры домена. Помимо этих широких категорий, существуют регуляторы ответа с другими типами эффекторных доменов, включая РНК-связывающие эффекторные домены.

Регуляторы с ДНК-связывающим эффекторным доменом являются наиболее распространенными регуляторами ответа и оказывают прямое влияние на транскрипцию . [7] Они, как правило, взаимодействуют со своими родственными регуляторами на N-концевом домене приемника и содержат ДНК-связывающий эффектор по направлению к C-концу. После фосфорилирования на домене приемника регулятор ответа димеризуется, приобретает повышенную способность связывать ДНК и действует как фактор транскрипции . [8] Архитектура доменов связывания ДНК характеризуется как вариации мотивов спираль-поворот-спираль . Одна вариация, обнаруженная на регуляторе ответа OmpR двухкомпонентной системы EnvZ/OmpR и других регуляторах ответа, подобных OmpR, представляет собой архитектуру «крылатой спирали». [9] Регуляторы ответа, подобные OmpR, являются самой большой группой регуляторов ответа, и мотив крылатой спирали широко распространен. Другие подтипы регуляторов ответа, связывающих ДНК, включают регуляторы, подобные FixJ и NtrC. [10] Регуляторы реакции связывания ДНК участвуют в различных процессах поглощения, включая нитрат / нитрит (NarL, обнаружен у большинства прокариот). [11]

Второй класс регуляторов многодоменного ответа — это регуляторы с ферментативными эффекторными доменами. [12] Эти регуляторы ответа могут участвовать в передаче сигнала и генерировать вторичные молекулы-мессенджеры. Примерами являются регулятор хемотаксиса CheB с доменом метилэстеразы, который ингибируется, когда регулятор ответа находится в неактивной нефосфорилированной конформации. Другие регуляторы ферментативного ответа включают фосфодиэстеразы c-di-GMP (например, VieA в V. cholerae ), протеинфосфатазы и гистидинкиназы. [12]

Относительно небольшое количество регуляторов ответа, однодоменные регуляторы ответа, содержат только домен-приемник, полагаясь на белок-белковые взаимодействия для проявления своих нижестоящих биологических эффектов. [13] Домен-приемник претерпевает конформационные изменения, взаимодействуя с автофосфорилированной гистидинкиназой, и, следовательно, регулятор ответа может инициировать дальнейшие реакции по сигнальному каскаду. Известные примеры включают регулятор хемотаксиса CheY, который взаимодействует с белками жгутикового мотора непосредственно в своем фосфорилированном состоянии. [13]

Секвенирование до сих пор показало, что отдельные классы регуляторов ответа неравномерно распределены по различным таксонам, [14] в том числе по доменам. В то время как регуляторы ответа с доменами связывания ДНК наиболее распространены у бактерий, регуляторы ответа с одним доменом более распространены у архей, а другие основные классы регуляторов ответа, по-видимому, отсутствуют в геномах архей.

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. [4] [7] Новые двухкомпонентные системы могут возникать путем дупликации генов или латерального переноса генов , и относительные скорости каждого процесса значительно различаются у разных видов бактерий. [15] В большинстве случаев гены регуляторов реакции расположены в том же опероне , что и их родственная гистидинкиназа; [4] латеральные переносы генов с большей вероятностью сохраняют структуру оперона, чем дупликации генов. [15] Небольшое количество двухкомпонентных систем, присутствующих у эукариот, скорее всего, возникло путем латерального переноса генов из эндосимбиотических органелл; в частности, те, которые присутствуют у растений, вероятно, происходят из хлоропластов . [4]

Ссылки

  1. ^ ab Stock AM, Robinson VL, Goudreau PN (2000). «Двухкомпонентная сигнальная трансдукция». Annual Review of Biochemistry . 69 : 183–215. doi : 10.1146/annurev.biochem.69.1.183. PMID  10966457.
  2. ^ abc West AH, Stock AM (июнь 2001). «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.
  3. ^ ab Galperin MY (июнь 2005 г.). «Перепись мембраносвязанных и внутриклеточных белков передачи сигналов у бактерий: бактериальный IQ, экстраверты и интроверты». BMC Microbiology . 5 : 35. doi : 10.1186/1471-2180-5-35 . PMC 1183210 . PMID  15955239. 
  4. ^ abcdef 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  . 
  5. ^ Zhao X, Copeland DM, Soares AS, West AH (январь 2008 г.). «Кристаллическая структура комплекса между фосфорелевым белком YPD1 и доменом регулятора ответа SLN1, связанным с фосфорильным аналогом». Журнал молекулярной биологии . 375 (4): 1141–51. doi :10.1016/j.jmb.2007.11.045. PMC 2254212. PMID  18076904 . 
  6. ^ 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 . 
  7. ^ ab Galperin MY (июнь 2006). «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  . 
  8. ^ Barbieri CM, Wu T, Stock AM (май 2013 г.). «Комплексный анализ фосфорилирования OmpR, димеризации и связывания ДНК подтверждает каноническую модель активации». Журнал молекулярной биологии . 425 (10): 1612–26. doi :10.1016/j.jmb.2013.02.003. PMC 3646996. PMID 23399542  . 
  9. ^ Кенни, Линда Дж. (2002-04-01). «Структурно-функциональная связь в OmpR и других факторах транскрипции с крылатой спиралью». Current Opinion in Microbiology . 5 (2): 135–141. doi :10.1016/S1369-5274(02)00310-7. PMID  11934608.
  10. ^ Rajeev L, Luning EG, Dehal PS, Price MN, Arkin AP, Mukhopadhyay A (октябрь 2011 г.). «Систематическое картирование двухкомпонентных регуляторов ответа на генные мишени в модельной сульфатредуцирующей бактерии». Genome Biology . 12 (10): R99. doi : 10.1186/gb-2011-12-10-r99 . PMC 3333781. PMID  21992415 . 
  11. ^ Байкалов И, Шредер И, Кацор-Гжесковяк М, Гжесковяк К, Гунсалус РП, Дикерсон Р.Е. (август 1996 г.). «Структура регулятора реакции Escherichia coli NarL». Биохимия . 35 (34): 11053–61. CiteSeerX 10.1.1.580.6078 . doi :10.1021/bi960919o. PMID  8780507. 
  12. ^ ab Гальперин М.Ю. (апрель 2010 г.). «Разнообразие структуры и функции выходных доменов регуляторов ответа». Current Opinion in Microbiology . 13 (2): 150–9. doi :10.1016/j.mib.2010.01.005. PMC 3086695. PMID  20226724 . 
  13. ^ ab Sarkar MK, Paul K, Blair D (май 2010 г.). «Сигнальный белок хемотаксиса CheY связывается с роторным белком FliN для управления направлением вращения жгутиков в Escherichia coli». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 107 (20): 9370–5. Bibcode : 2010PNAS..107.9370S. doi : 10.1073 /pnas.1000935107 . PMC 2889077. PMID  20439729. 
  14. ^ "Перепись регуляторов прокариотического ответа". www.ncbi.nlm.nih.gov . Получено 2017-10-08 .
  15. ^ 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.