stringtranslate.com

SOS-ответ

Система SOS E. coli : ДНК может быть повреждена сшивающими агентами, УФ-облучением, алкилирующими агентами и т. д. После повреждения RecA, протеаза LexA, распознает поврежденную ДНК и активируется, удаляя ее репрессор. После удаления димерного репрессора LexA экспрессия оперона LexA становится ауторегуляторной. Помимо того, что белок RecA является протеазой LexA, он также катализирует несколько новых реакций ДНК, таких как отжиг одноцепочечной ДНК и перенос нитей. Система SOS обладает улучшенной способностью к репарации ДНК, включая иссечение и пострепликационную репарацию, улучшенный мутагенез и индукцию профага. Система также может ингибировать деление клеток и клеточное дыхание. [1]
SOS-реакция была предложена в качестве модели бактериальной эволюции определенных типов устойчивости к антибиотикам . [2]

SOS -ответ — это глобальный ответ на повреждение ДНК , при котором клеточный цикл останавливается, а репарация ДНК и мутагенез индуцируются. Система включает белок RecA ( Rad51 у эукариот). Белок RecA, стимулируемый одноцепочечной ДНК, участвует в инактивации репрессора ( LexA ) генов SOS-ответа, тем самым индуцируя ответ. Это система репарации, подверженная ошибкам, которая вносит значительный вклад в изменения ДНК, наблюдаемые у широкого спектра видов.

Открытие

SOS-ответ был сформулирован Эвелин Виткин . [3] [4] Позднее, характеризуя фенотипы мутировавших E. coli , она и аспирант Мирослав Радман подробно описали SOS-ответ на УФ-излучение у бактерий. [3] [5] SOS-ответ на повреждение ДНК стал основополагающим открытием, поскольку это был первый скоординированный ответ на стресс, который был объяснен. [6]

Механизм

Во время нормального роста гены SOS отрицательно регулируются димерами белка -репрессора LexA . В нормальных условиях LexA связывается с консенсусной последовательностью из 20 пар оснований ( бокс SOS ) в области оператора для этих генов. Некоторые из этих генов SOS экспрессируются на определенных уровнях даже в репрессированном состоянии, в соответствии с сродством LexA к их боксу SOS. Активация генов SOS происходит после повреждения ДНК путем накопления одноцепочечных (ssDNA) областей, образующихся в репликационных вилках, где ДНК-полимераза блокируется. RecA образует нить вокруг этих областей ssDNA в зависимости от АТФ и активируется. [7] Активированная форма RecA взаимодействует с репрессором LexA, способствуя самоотщеплению репрессора LexA от оператора. [7] [8]

Как только пул LexA уменьшается, репрессия генов SOS снижается в соответствии с уровнем сродства LexA к SOS-боксам. [7] Операторы, которые слабо связывают LexA, первыми полностью экспрессируются. Таким образом, LexA может последовательно активировать различные механизмы репарации. Гены, имеющие слабый SOS-бокс (такие как lexA , recA , uvrA , uvrB и uvrD ), полностью индуцируются в ответ даже на слабые SOS-индуцирующие обработки. Таким образом, первым индуцируемым механизмом репарации SOS является нуклеотидная эксцизионная репарация (NER), целью которой является исправление повреждений ДНК без приверженности полноценному SOS-ответу. Если, однако, NER недостаточно для исправления повреждений, концентрация LexA еще больше снижается, поэтому индуцируется экспрессия генов с более сильными LexA-боксами (такими как sulA , umuD , umuC — они экспрессируются поздно). [7] SulA останавливает деление клеток [7] , связываясь с FtsZ , инициирующим белком в этом процессе. Это вызывает филаментацию и индукцию UmuDC-зависимой мутагенной репарации. В результате этих свойств некоторые гены могут частично индуцироваться в ответ даже на эндогенные уровни повреждения ДНК, в то время как другие гены, по-видимому, индуцируются только при наличии в клетке высокого или постоянного повреждения ДНК.

Устойчивость к антибиотикам

Исследования показали, что система ответа SOS может приводить к мутациям, которые могут привести к устойчивости к антибиотикам. [9] Повышенная скорость мутаций во время ответа SOS вызвана тремя низкоточными ДНК-полимеразами : Pol II , Pol IV и Pol V. [ 10] [9] Исследователи теперь нацеливаются на эти белки с целью создания лекарств, которые предотвращают восстановление SOS. Таким образом, время, необходимое патогенным бактериям для развития устойчивости к антибиотикам, может быть увеличено, тем самым улучшая долгосрочную жизнеспособность некоторых антибиотиков. [11]

Помимо генетической устойчивости, SOS-ответ может также способствовать фенотипической устойчивости. Здесь геном сохраняется, в то время как другие негенетические факторы изменяются, чтобы позволить бактериям выжить. Например, зависимая от SOS система токсина-антитоксина tisB-istR была связана с индукцией персистирующих клеток , зависящих от повреждения ДНК . [12]

Тестирование генотоксичности

Обзор использования SOS-ответа для тестирования генотоксичности.

В Escherichia coli различные классы агентов, повреждающих ДНК, могут инициировать реакцию SOS, как описано выше. Используя преимущество слияния оперонов, помещая оперон lac (ответственный за выработку бета-галактозидазы, белка, который расщепляет лактозу) под контроль белка, связанного с SOS, можно провести простой колориметрический анализ генотоксичности . К бактериям добавляется аналог лактозы, который затем расщепляется бета-галактозидазой, в результате чего образуется окрашенное соединение, которое можно количественно измерить с помощью спектрофотометрии . Степень развития цвета является косвенной мерой произведенной бета-галактозидазы, которая сама по себе напрямую связана с количеством повреждений ДНК.

E. coli далее модифицируются для того, чтобы иметь ряд мутаций, включая мутацию uvrA , которая делает штамм дефицитным по эксцизионной репарации, увеличивая реакцию на определенные агенты, повреждающие ДНК, а также мутацию rfa , которая делает бактерии дефицитными по липополисахариду, что позволяет улучшить диффузию определенных химических веществ в клетку для того, чтобы вызвать реакцию SOS. [13] Доступны коммерческие наборы, которые измеряют первичную реакцию клетки E. coli на генетическое повреждение и могут быть тесно связаны с тестом Эймса для определенных материалов. [14]

Цианобактерии

Цианобактерии , единственные прокариоты, способные к фотосинтезу с выделением кислорода , являются основными производителями кислородсодержащей атмосферы Земли. [15] Морские цианобактерии Prochlorococcus и Synechococcus, по-видимому, имеют систему SOS, похожую на E. coli, для восстановления ДНК, поскольку они кодируют гены, гомологичные ключевым генам SOS E. coli, таким как lexA и sulA . [16]

Дополнительные изображения

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Little, John W.; Mount, David W. (май 1982). «Система регуляции SOS Escherichia coli». Cell . 29 (1): 11–22. doi :10.1016/0092-8674(82)90085-X. PMID  7049397. S2CID  12476812.
  2. ^ Мишель, Бенедикт (12 июля 2005 г.). «После 30 лет изучения бактериальный SOS-ответ все еще удивляет нас». PLOS Biology . 3 (7): e255. doi : 10.1371/journal.pbio.0030255 . PMC 1174825. PMID  16000023 . 
  3. ^ ab Fitzgerald, Devon M.; Hastings, PJ; Rosenberg, Susan M. (6 марта 2017 г.). «Стресс-индуцированный мутагенез: последствия для рака и лекарственной устойчивости». Annual Review of Cancer Biology . 1 (1): 119–140. doi :10.1146/annurev-cancerbio-050216-121919. PMC 5794033. PMID 29399660.  Получено 6 марта 2023 г. 
  4. ^ Witkin, EM (май 1967). «Радиационная чувствительность Escherichia coli B: гипотеза, связывающая образование нитей и индукцию профага». Труды Национальной академии наук . 57 (5): 1275–9. Bibcode : 1967PNAS...57.1275W. doi : 10.1073/pnas.57.5.1275 . PMC 224468. PMID  5341236 . 
  5. ^ Witkin, EM (1976). «Ультрафиолетовый мутагенез и индуцируемая репарация ДНК в Escherichia coli». Bacteriological Reviews . 40 (4): 869–907. doi : 10.1128/MMBR.40.4.869-907.1976. PMC 413988. PMID  795416. 
  6. ^ Радман, М. (1975). «Феноменология индуцируемого мутагенного пути репарации ДНК в Escherichia coli : гипотеза SOS-репарации». Basic Life Sciences . 5A : 355–367. doi : 10.1007/978-1-4684-2895-7_48. PMID  1103845.
  7. ^ abcde Масловска, KH; Макела-Дзбенска, K.; Фиялковска, IJ (май 2019 г.). «Система SOS: сложный и строго регулируемый ответ на повреждение ДНК». Экологический и молекулярный мутагенез . 60 (4): 368–384. Bibcode : 2019EnvMM..60..368M . doi : 10.1002/em.22267. PMC 6590174. PMID  30447030. 
  8. ^ Ленингер, Альберт Л.; Нельсон, Дэвид Ли; Кокс, Майкл М. (2005). Принципы биохимии Ленингера (4-е изд.). Нью-Йорк: WH Freeman. стр. 1098. ISBN 978-0-7167-4339-2. OCLC  55476414.
  9. ^ ab Cirz, RT; Chin, JK; Andes, DR; De Crécy-Lagard, V; Craig, WA; Romesberg, FE (июнь 2005 г.). «Ингибирование мутаций и борьба с развитием устойчивости к антибиотикам». PLOS Biology . 3 (6): e176. doi : 10.1371/journal.pbio.0030176 . PMC 1088971. PMID  15869329 .  Значок открытого доступа
  10. ^ Jaszczur, M; Bertram, JG; Robinson, A; van Oijen, AM; Woodgate, R; Cox, MM; Goodman, MF (апрель 2016 г.). «Мутации к худшему или лучшему: низкоточный синтез ДНК с помощью SOS DNA Polymerase V — это жестко регулируемый обоюдоострый меч». Biochemistry . 55 (16): 2309–18. doi :10.1021/acs.biochem.6b00117. PMC 4846499 . PMID  27043933. 
  11. ^ Ли, AM; Росс, CT; Цзэн, BB; Синглтон, SF (июль 2005 г.). «Молекулярная мишень для подавления эволюции устойчивости к антибиотикам: ингибирование белка RecA Escherichia coli N6-(1-нафтил)-АДФ». Журнал медицинской химии . 48 (17): 5408–5411. doi :10.1021/jm050113z. PMID  16107138.
  12. ^ Dörr, T; Vulić, M; Lewis, K (февраль 2010 г.). «Ципрофлоксацин вызывает образование персистеров, вызывая токсин TisB в Escherichia coli». PLOS Biology . 8 (2): e1000317. doi : 10.1371/journal.pbio.1000317 . PMC 2826370. PMID  20186264 . 
  13. ^ Quillardet, Philippe; Hofnung, Maurice (октябрь 1993 г.). «SOS chromotest: a review». Mutation Research/Reviews in Genetic Toxicology . 297 (3): 235–279. doi :10.1016/0165-1110(93)90019-J. PMID  7692273.
  14. ^ Quillardet, Philippe; de ​​Bellecombe, Christine; Hofnung, Maurice (июнь 1985 г.). «SOS Chromotest, колориметрический бактериальный анализ генотоксинов: исследование валидации с 83 соединениями». Mutation Research/Environmental Mutagenesis and Related Subjects . 147 (3): 79–95. doi :10.1016/0165-1161(85)90021-4. PMID  3923333.
  15. ^ Гамильтон, Тринити Л.; Брайант, Дональд А.; Макалади, Дженнифер Л. (февраль 2016 г.). «Роль биологии в эволюции планет: первичное производство цианобактерий в протерозойских океанах с низким содержанием кислорода». Environmental Microbiology . 18 (2): 325–340. doi :10.1111/1462-2920.13118. PMC 5019231 . PMID  26549614. 
  16. ^ Cassier-Chauvat, Corinne; Veaudor, Théo; Chauvat, Franck (9 ноября 2016 г.). «Сравнительная геномика рекомбинации и репарации ДНК у цианобактерий: биотехнологические аспекты». Frontiers in Microbiology . 7 : 1809. doi : 10.3389 /fmicb.2016.01809 . PMC 5101192. PMID  27881980. 

Внешние ссылки