Kétkomponensű rendszer

A kétkomponensű rendszer egy molekuláris biológiai  mechanizmus , amely lehetővé teszi a sejtek számára, hogy érzékeljék és reagáljanak a különböző környezeti paraméterek változásaira . A kétkomponensű rendszer általában egy membránhoz kötött hisztidin-kinázból , amely érzékeli a környezeti változásokat, és egy megfelelő válaszszabályozóból , amely sejtes választ ad, elsősorban a célgének eltérő expressziója miatt. [ 2] . Bár a kétkomponensű rendszerek az élet mindhárom területén megtalálhatók , ezek a leggyakoribbak a baktériumokban , különösen a Gram-negatív baktériumokban és a cianobaktériumokban . A hisztidin-kinázokat és válaszszabályozókat kódoló gének alkotják a baktériumok két legnagyobb géncsaládját [3] . Sokkal ritkábban kétkomponensű rendszerek találhatók az archaeában és az eukariótákban ; azonban még mindig megtalálhatók az élesztő- és penészgombákban , a nyálkagombákban , és gyakoriak a növényekben , de a Metazoában [3] teljesen hiányoznak .

Mechanizmus

A kétkomponensű rendszerek biológiai jelátvitelt hajtanak végre a válaszregulátor (RO) hisztidin-kináz (HA) általi foszforilezésével . A hisztidin kinázok jellemzően homodimer transzmembrán fehérjék , amelyek hisztidin tartalmú foszfotranszferáz domént és ATP - kötő domént tartalmaznak, bár a HA-k szokatlan családjait is leírták , amelyek nem homodimerek [4] . A válaszregulátorok állhatnak egyetlen recipiens doménből, de általában többdoménes fehérjék, amelyek egy recipiens domént és egy effektor domént tartalmaznak, gyakran DNS - kötő aktivitással [3] . Amikor a HA érzékeli az extracelluláris környezetben bekövetkező változást, autofoszforilációs reakciót hajt végre azáltal, hogy egy foszforilcsoportot ] visz át az ATP-ből egy specifikus hisztidin -maradékra . A megfelelő RO tovább katalizálja ennek a foszforil-csoportnak a HA-ból a befogadó doménjében lévő aszpartát -maradékra való átvitelét [5] [6] . E reakció eredményeként az RO konformációs változáson megy keresztül , amely aktiválja effektor doménjét, ami viszont sejtválaszt vált ki a jelre, aktiválva vagy elnyomva a célgének expresszióját [3] .

Sok HA bifunkciós, és foszfatázaktivitásuk a megfelelő RO-kra irányul, ezért a kimeneti jel tükrözi a HA kináz és foszfatáz aktivitása közötti egyensúlyt. Számos RO képes autodefoszforilációra is [7] , emellett a viszonylag labilis foszfoaszpartát nem enzimatikusan is hidrolizálható . Az RO foszforilációjának általános szintje végső soron szabályozza aktivitását .

Egyes GC-k hibridek, és belső fogadódomént tartalmaznak. Ebben az esetben a HA autofoszforilálja és továbbviszi a foszforilcsoportot a belső recipiens doménjébe, nem pedig egy külön válaszszabályozó fehérjébe. Továbbá a foszforilcsoport átkerül a hisztidin -transzferázba , majd onnan a végső RO-ba, amely kiváltja a szükséges sejtválaszt [9] [10] . Az ilyen rendszert phosphorelay-nek ( angolul  phosphorelay ) nevezik. A bakteriális HA-k csaknem 25%-a és a legtöbb eukarióta HA hibrid típusú [3] .

Funkciók

A kétkomponensű rendszerek lehetővé teszik a baktériumok számára, hogy érzékeljenek, reagáljanak és alkalmazkodjanak különféle környezeti változásokhoz és stresszorokhoz [11] . A kétkomponensű rendszerek különféle ingerekre reagálhatnak: tápanyagok , a sejt redox állapota, az ozmolaritás változásai, a kvórum jelei , az antibiotikumok , a hőmérséklet , a kemoattraktánsok , a pH és mások [12] [13] . Például Escherichia coliban az ozmoszabályozó kétkomponensű rendszer, az EnvZ/OmpR [ szabályozza a külső membrán OmpF és OmpC porinjainak eltérő expresszióját [14] . A KdpD szenzorkináz szabályozza a kdpFABC operont , amely felelős a káliumionok szállításáért olyan baktériumokban, mint az E. coli és a Clostridium acetobutylicum [15] . A KdpD citoplazmatikus régiója egy turgornyomás -érzékelő lehet [16] .

A bakteriális genomban a kéthibrid rendszerek átlagos számát 30-ra becsülik [17] (a genom 1-2%-a [18] ). Egyes baktériumok, általában endoszimbionták vagy kórokozók , teljesen mentesek a kétkomponensű rendszerektől, és néhány baktérium több mint 200 ilyen rendszerrel rendelkezik [19] [20] . Az ilyen rendszerek közös szabályozási rendszert igényelnek, hogy megakadályozzák közöttük a keresztezést, ami meglehetősen ritka in vivo [21] .

Evolúció

A baktériumgenomban kódolt kétkomponensű rendszerek száma szorosan összefügg annak méretével, valamint a baktérium által elfoglalt ökológiai résszel . Azok a fülkék lakói, ahol gyakran változnak a környezeti feltételek, több HA-t és RO-t kódoló gén található [3] [22] . Új kétkomponensű rendszerek jöhetnek létre génduplikációval és horizontális géntranszferrel továbbíthatók , és mindkét folyamat sebessége jelentősen eltér a különböző baktériumfajokban [ 23] . A legtöbb esetben a GC-ket és a hozzájuk tartozó RO-kat egy operon kódolja [3] . A génduplikációval ellentétben a horizontális géntranszfer jobban elősegíti az operonok szerveződésének megőrzését [23] .

Eukariótákban

Az eukarióták között ritkák a kétkomponensű rendszerek. Megtalálhatók élesztőgombákban, fonalas gombákban, nyálkagombákban, meglehetősen gyakoriak a növényekben, de a valódi többsejtű állatokban (Metazoa) teljesen hiányoznak [3] . Nyilvánvalóan az eukarióták kétkomponensű rendszereket kaptak horizontális géntranszfer révén, gyakran endoszimbiotikus organellumokból , és GC-jeik általában hibrid típusúak. Például a Candida albicans élesztőben a kétkomponensű rendszerek komponenseit kódoló nukleáris gének mitokondriális eredetűek [24] . A kétkomponensű rendszerek sikeresen integrálódnak a fejlődést irányító növényi jelátviteli útvonalakba, és nagy valószínűséggel kloroplasztiszokból származnak horizontális géntranszfer révén [3] . Például az Arabidopsis thaliana esetében a kloroplaszt szenzorkinázt kódoló gén ( eng.  chloropast sensor kinase, CSK ) a sejtmag genomjában található, de a kloroplasztisz genomból származik. A CSK biztosítja a fotoszintézist és a kloroplaszt génexpressziót összekötő szabályozórendszer működését ; ezt a megfigyelést a CoRR-hipotézis kulcsfontosságú előrejelzéseként írták le , amely megmagyarázza a gének megmaradását az endoszimbiotikus organellumokban [25] [26] .

Nem világos, hogy miért ritkák a kétkomponensű rendszerek az eukariótákban, amelyekben a kétkomponensű rendszerek számos funkcióját szerin- , treonin- és tirozin - kinázokon alapuló jelzőrendszerek látják el . Az egyik javasolt magyarázat az, hogy a foszfoaszpartát túl instabil, és stabilabb vegyületekre van szükség a szignáltranszdukcióhoz bonyolultabb eukarióta sejtekben. [3] . Megjegyzendő, hogy az eukarióta sejtek jelátviteli útvonalai közötti keresztezés gyakori jelenség, míg a bakteriális kétkomponensű rendszerekben ritka [27] .

Bioinformatika

A szekvenciák és az operonszerkezet hasonlósága miatt számos kétkomponensű rendszer, különösen a HA, viszonylag könnyen azonosítható bioinformatikai elemzéssel. Az eukarióta kinázokat meglehetősen könnyű azonosítani, de szubsztrátjaik megtalálása nem triviális feladat [3] . A prokarióták kétkomponensű rendszereinek adatbázisa - P2CS - információkat tárol és osztályozza az ismert kétkomponensű rendszereket. Bizonyos esetekben az adatbázis előrejelzéseket tárol a GC és RO javasolt partnereiről [28] [29] .

Jegyzetek

  1. ↑ Mascher T. , Helmann JD , Unden G. Stimulus perception in bakterial signal-transducing histidin kinases.  (angol)  // Mikrobiológiai és molekuláris biológiai áttekintések : MMBR. - 2006. - Vol. 70, sz. 4 . - P. 910-938. - doi : 10.1128/MMBR.00020-06 . — PMID 17158704 .
  2. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Capra EJ , Laub MT Kétkomponensű jelátviteli rendszerek fejlődése.  (angol)  // Annual Review of Microbiology. - 2012. - Kt. 66. - P. 325-347. - doi : 10.1146/annurev-micro-092611-150039 . — PMID 22746333 .
  3. ↑ Herrou J. , Crosson S. , Fiebig A. HWE/HisKA2-család szenzoros hisztidin-kinázainak szerkezete és funkciója.  (angol)  // Jelenlegi vélemény a mikrobiológiában. - 2017. - Kt. 36. - P. 47-54. - doi : 10.1016/j.mib.2017.01.008 . — PMID 28193573 .
  4. ↑ Sanders DA , Gillece-Castro BL , Stock AM , Burlingame AL , Koshland DE Jr. A kemotaxis választ szabályozó fehérje, a CheY foszforilációs helyének azonosítása.  (angol)  // The Journal of Biological Chemistry. - 1989. - 1. évf. 264. sz. 36 . - P. 21770-21778. — PMID 2689446 .
  5. ↑ Sanders DA , Gillece-Castro BL , Burlingame AL , Koshland DE Jr. Az NtrC foszforilációs helye, egy protein-foszfatáz, amelynek kovalens intermedierje aktiválja a transzkripciót.  (angol)  // Bakteriológiai folyóirat. - 1992. - 1. évf. 174. sz. 15 . - P. 5117-5122. — PMID 1321122 .
  6. ↑ West AH , Stock AM hisztidin kinázok és válaszszabályozó fehérjék kétkomponensű jelátviteli rendszerekben.  (angol)  // Trends in biochemical sciences. - 2001. - 20. évf. 26. sz. 6 . - P. 369-376. — PMID 11406410 .
  7. ↑ Varughese KI Bakteriális foszforelay fehérjék molekuláris felismerése.  (angol)  // Jelenlegi vélemény a mikrobiológiában. - 2002. - 20. évf. 5, sz. 2 . - P. 142-148. — PMID 11934609 .
  8. ↑ Hoch JA , Varughese KI A jelek egyenes tartása a foszforelé jelátvitelben.  (angol)  // Bakteriológiai folyóirat. - 2001. - 20. évf. 183. sz. 17 . - P. 4941-4949. — PMID 11489844 .
  9. ↑ Skerker JM , Prasol MS , Perchuk BS , Biondi EG , Laub MT Kétkomponensű jelátviteli útvonalak, amelyek szabályozzák a növekedést és a sejtciklus előrehaladását egy baktériumban: rendszerszintű elemzés.  (angol)  // Public Library of Science Biology. - 2005. - 20. évf. 3, sz. 10 . - P. e334. - doi : 10.1371/journal.pbio.0030334 . — PMID 16176121 .
  10. ↑ Wolanin PM , Thomason PA , Stock JB Hisztidin protein kinázok: kulcsfontosságú jelátalakítók az állatvilágon kívül.  (angol)  // Genombiológia. - 2002. - 20. évf. 3, sz. 10 . - P. 3013. - PMID 12372152 .
  11. ↑ Attwood P.V. , Piggott MJ , Zu XL , Besant P.G. Fókuszban a foszfohisztidin.  (angol)  // Aminosavak. - 2007. - Vol. 32. sz. 1 . - P. 145-156. - doi : 10.1007/s00726-006-0443-6 . — PMID 17103118 .
  12. ↑ Buckler DR , Anand GS , Stock AM Response-regulator foszforiláció és aktiválás: kétirányú utca?  (angol)  // Trends in Microbiology. - 2000. - Vol. 8, sz. 4 . - P. 153-156. — PMID 10754569 .
  13. ↑ Treuner-Lange A. , Kuhn A. , Dürre P. A Clostridium acetobutylicum kdp rendszere: klónozás, szekvenálás és transzkripciós szabályozás válaszként a káliumkoncentrációra.  (angol)  // Bakteriológiai folyóirat. - 1997. - 1. évf. 179. sz. 14 . - P. 4501-4512. — PMID 9226259 .
  14. ↑ Walderhaug MO , Polarek JW , Voelkner P. , Daniel JM , Hesse JE , Altendorf K. , Epstein W. A kdpABC operon expresszióját szabályozó fehérjék, a KdpD és a KdpE a szabályozók kétkomponensű szenzor-effektor osztályának tagjai. .  (angol)  // Bakteriológiai folyóirat. - 1992. - 1. évf. 174. sz. 7 . - P. 2152-2159. — PMID 1532388 .
  15. ↑ Schaller GE , Shiu SH , Armitage JP Kétkomponensű rendszerek és koopciójuk eukarióta jelátvitelhez.  (angol)  // Jelenlegi biológia : CB. - 2011. - 20. évf. 21, sz. 9 . - P. 320-330. - doi : 10.1016/j.cub.2011.02.045 . — PMID 21549954 .
  16. ↑ Salvado B. , Vilaprinyo E. , Sorribas A. , Alves R. Felmérés a HK, HPt és RR doménekről és azok szerveződéséről a teljesen szekvenált genomokkal rendelkező organizmusok kétkomponensű rendszereiben és phosphorelay proteinjeiben.  (angol)  // PeerJ. - 2015. - Kt. 3. - P. e1183. - doi : 10.7717/peerj.1183 . — PMID 26339559 .
  17. ↑ Wuichet K. , Cantwell BJ , Zhulin IB . Kétkomponensű jelátviteli rendszerek evolúciója és filetikai eloszlása.  (angol)  // Jelenlegi vélemény a mikrobiológiában. - 2010. - 20. évf. 13. sz. 2 . - P. 219-225. - doi : 10.1016/j.mib.2009.12.011 . — PMID 20133179 .
  18. ↑ Shi X. , Wegener-Feldbrügge S. , Huntley S. , Hamann N. , Hedderich R. , Søgaard-Andersen L. Kétkomponensű rendszerek fehérjéinek bioinformatika és kísérleti elemzése Myxococcus xanthusban.  (angol)  // Bakteriológiai folyóirat. - 2008. - Vol. 190, sz. 2 . - P. 613-624. - doi : 10.1128/JB.01502-07 . — PMID 17993514 .
  19. ↑ Laub MT , Goulian M. Specificitás kétkomponensű jelátviteli útvonalakban.  (angol)  // A genetika éves felülvizsgálata. - 2007. - Vol. 41. - P. 121-145. - doi : 10.1146/annurev.genet.41.042007.170548 . — PMID 18076326 .
  20. ↑ Galperin MY A bakteriális válaszszabályozók szerkezeti osztályozása: kimeneti domének és doménkombinációk sokfélesége.  (angol)  // Bakteriológiai folyóirat. - 2006. - Vol. 188. sz. 12 . - P. 4169-4182. - doi : 10.1128/JB.01887-05 . — PMID 16740923 .
  21. ↑ 1 2 Alm E. , Huang K. , Arkin A. A kétkomponensű rendszerek fejlődése baktériumokban különböző stratégiákat tár fel a niche adaptációra.  (angol)  // Public Library of Science for Computational Biology. - 2006. - Vol. 2, sz. 11 . — P. e143. - doi : 10.1371/journal.pcbi.0020143 . — PMID 17083272 .
  22. ↑ Mavrianos J. , Berkow EL , Desai C. , Pandey A. , Batish M. , Rabadi MJ , Barker KS , Pain D. , Rogers PD , Eugenin EA , Chauhan N. Mitokondriális kétkomponensű jelzőrendszerek Candida albicansban.  (angol)  // Eukarióta sejt. - 2013. - Kt. 12, sz. 6 . - P. 913-922. - doi : 10.1128/EC.00048-13 . — PMID 23584995 .
  23. ↑ Puthiyaveetil S. , Kavanagh TA , Cain P. , Sullivan JA , Newell CA , Gray JC , Robinson C. , van der Giezen M. , Rogers MB , Allen JF .  (angol)  // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. - 2008. - Vol. 105, sz. 29 . - P. 10061-10066. - doi : 10.1073/pnas.0803928105 . — PMID 18632566 .
  24. ↑ Allen JF Miért tartják meg a kloroplasztiszok és a mitokondriumok saját genomjukat és genetikai rendszereiket: A génexpresszió redox-szabályozásának helye  (angol)  // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. - 2015. - Kt. 112. sz. 33 . - P. 10231-10238. - doi : 10.1073/pnas.1500012112 . — PMID 26286985 .
  25. ↑ Rowland MA , Deeds EJ Crosstalk és a specificitás fejlődése a kétkomponensű jelzésekben.  (angol)  // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. - 2014. - Kt. 111. sz. 15 . - P. 5550-5555. - doi : 10.1073/pnas.1317178111 . — PMID 24706803 .
  26. ↑ Barakat M. , Ortet P. , Whitworth DE P2CS: prokarióta kétkomponensű rendszerek adatbázisa.  (angol)  // Nukleinsavak kutatása. - 2011. - 20. évf. 39. - P. D771-776. - doi : 10.1093/nar/gkq1023 . — PMID 21051349 .
  27. ↑ Ortet P. , Whitworth D.E. , Santaella C. , Achouak W. , Barakat M. P2CS: a prokarióta kétkomponensű rendszerek adatbázisának frissítései.  (angol)  // Nukleinsavak kutatása. - 2015. - Kt. 43. - P. D536-541. doi : 10.1093 / nar/gku968 . — PMID 25324303 .

Linkek