Гуанозин пентафосфат - Guanosine pentaphosphate - Wikipedia

Гуанозин пентафосфат
PppGpp.svg
Имена
Другие имена
пентафосфат гуанозина (pppGpp), тетрафосфат гуанозина (ppGpp)
Идентификаторы
DrugBank
Характеристики
C10ЧАС17N5О17п4
Молярная масса603,16 г · моль−1
Если не указано иное, данные для материалов приводятся в их стандартное состояние (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа).
Ссылки на инфобоксы

(p) ppGpp, гуанозин пентафосфат или тетрафосфат является тревога который участвует в строгий ответ в бактерии, вызывая торможение из Синтез РНК когда есть нехватка аминокислоты настоящее время. Это вызывает перевод уменьшить и аминокислоты Настоящие поэтому сохранены. Кроме того, ppGpp вызывает активацию многих других генов, участвующих в реакции на стресс, таких как гены поглощения аминокислот (из окружающей среды) и биосинтеза.[1]

Открытие

ppGpp и pppGpp были впервые идентифицированы Майклом Кашелом в 1960-х годах. Было обнаружено, что эти нуклеотиды быстро накапливаются в кишечная палочка клетки испытывают недостаток в аминокислотах и ​​подавляют синтез рибосомных и транспортных РНК.[2] Теперь известно, что (p) ppGpp также вырабатывается в ответ на другие стрессоры, включая углеродное и фосфатное голодание.

Отсутствие (p) ppGpp

Полное отсутствие (p) ppGpp вызывает потребность в нескольких аминокислотах, плохую выживаемость старых культур, аберрантное деление клеток, морфологию и неподвижность, а также блокировку в режиме роста во время голодания.

Синтез и разложение (p) ppGpp

Синтез и разложение (p) ppGpp наиболее подробно охарактеризованы в модельной системе Кишечная палочка. (p) ppGpp создается через pppGpp синтаза, также известный как RelA, и преобразуется из pppGpp в ppGpp через фосфогидролазу pppGpp. RelA ассоциируется примерно с каждым из двухсот рибосомы и активируется при незаряженном переносить РНК (тРНК) входит в сайт А рибосомы из-за нехватки аминокислоты, необходимой тРНК. Если мутант бактерия relA− говорят, что он расслаблен, и не наблюдается регуляции продукции РНК из-за отсутствия аминокислот.

Кишечная палочка производит второй белок, ответственный за деградацию (p) ppGpp, называемый SpoT. Когда аминокислотный баланс в клетке восстанавливается, (p) ppGpp становится гидролизованный от Место. Этот белок также обладает способностью синтезировать (p) ppGpp и, по-видимому, является первичной синтазой при определенных условиях стресса. Большинство других бактерий кодируют единственный белок, который отвечает как за синтез, так и за деградацию (p) ppGpp, обычно гомологов SpoT.

Цели (p) ppGpp

Цели (p) ppGpp включают рРНК опероны, из которых семь в кишечная палочка (обычно используемый бактериальный модельный организм ), все из которых имеют 2 промоутеры. Когда (p) ppGpp связывается с промотором, он влияет на РНК-полимераза фермент способность связывать и инициировать транскрипция. Считается, что (p) ppGpp может влиять на стабильность открытого комплекса, образованного РНК-полимеразой на ДНК, и, следовательно, влиять на клиренс промотора. Его присутствие также приводит к увеличению пауз при транскрипции. удлинение и он конкурирует с нуклеозидтрифосфат субстраты.

В настоящее время существует консенсус, что (p) ppGpp является определяющим фактором контроля скорости роста, а не концентрации субстрата нуклеозидтрифосфата (NTP).

Влияние (p) ppGpp на физиологию бактерий

Подавление роста путем подавления синтеза белка

ppGpp ингибирует IF2-опосредованное образование дипептида инициации fMet-Phe, вероятно, препятствуя взаимодействиям 30S и 50S субъединиц. E. coli накапливает больше ppGpp, чем pppGpp во время аминокислотного голодания, и ppGpp имеет примерно в 8 раз большую эффективность, чем pppGpp. В то время как B. subtilis накапливает больше pppGpp, чем ppGpp.


Подавление репликации ДНК

В E. coli аминокислотное голодание ингибировало репликацию ДНК на стадии инициации в oriC, скорее всего, из-за отсутствия белка инициации репликации DnaA. У B. subtilis остановка репликации из-за накопления (p) ppGpp вызвана связыванием Rtp белок на определенные сайты примерно в 100-200kb от oriC в обоих направлениях. ДНК-примаза (DnaG) напрямую ингибировалась (p) ppGpp. В отличие от E. coli, B. subtilis накапливает больше pppGpp, чем ppGpp; более распространенный нуклеотид является более сильным ингибитором DnaG. ppGpp может связываться с белком Obg, который принадлежит к семейству консервативных малых белков GTPase. Белок Obg взаимодействует с несколькими регуляторами (RsbT, RsbW, RsbX), необходимыми для стрессовой активации сигмы B.

Влияние на репликацию и развитие фагов

Уровни (p) ppGpp хозяина, по-видимому, действуют как сенсор развития фаговой лямбда, в первую очередь влияя на транскрипцию. Умеренные уровни ppGpp ингибируют pR и активные промоторы pE, pI и paQ in vivo и имеют эффекты in vitro, которые, по-видимому, способствуют лизогении. Напротив, отсутствие или высокие концентрации (p) ppGpp способствуют лизису. Умеренные уровни ppGpp способствуют лизогению, приводя к низкому HflB (FtsH). Когда ppGpp отсутствует или высок, уровни протеазы HflB высоки; это приводит к снижению CII (фагового белка, способствующего лизогению) и способствует лизису.

Влияние на транскрипцию

Характеристики пораженных промоторов

Одним из ключевых элементов промоторов, ингибируемых (p) ppGpp, является присутствие GC-богатого дискриминатора, определяемого как область между TATA-боксом (-10 бокс) и +1 нуклеотидом (где +1 - это сайт начала транскрипции). . Промоторы, негативно регулируемые ppGpp, имеют линкер из 16 пар оснований, в отличие от консенсуса из 17 пар оснований. Промоторы, активируемые ppGpp, по-видимому, имеют дискриминатор, богатый AT и связывающие линкеры (например его линкер промотора составляет 18 п.н.).

RNAP - это цель

Генетические доказательства того, что RNAP была мишенью ppGpp, пришли из открытия, что мутанты M + (также называемые строгими мутантами RNAP) демонстрируют in vitro и in vivo мимикрию физиологии и регуляции транскрипции, обеспечиваемую (p) ppGpp, даже в ее отсутствие. Перекрестные ссылки ppGpp на RNAP укрепили это понятие. Структурные детали ассоциации между ppGpp и RNAP получены из анализа сокристаллов, которые позиционируют ppGpp во вторичном канале RNAP рядом с каталитическим центром.

ДКСА увеличивает регулирование

DksA представляет собой белок массой 17 кДа, его структура подобна GreA и GreB, которые являются хорошо охарактеризованными факторами элонгации транскрипции. GreA и GreB связываются непосредственно с RNAP, а не с ДНК, и действуют, вставляя свой N-концевой домен пальца в виде спиральной спирали через вторичный канал RNAP. Два консервативных кислотных остатка на кончике домена пальца необходимы, чтобы вызвать внутреннюю способность РНКП расщеплять РНК с обратным прослеживанием. DksA также имеет два кислотных остатка на кончике пальца, но он не вызывает активности нуклеолитического расщепления. Вместо этого предполагается, что эти остатки стабилизируют связывание ppGpp с RNAP за счет взаимной координации иона Mg2 +, который имеет решающее значение для полимеризации.

Подавление и активация транскрипции

ppGpp напрямую ингибирует транскрипцию с рибосомных промоторов. Одна модель - это ppGpp и DksA вместе, которые независимо друг от друга уменьшают стабильность открытых комплексов, образованных на ДНК с помощью RNAP. Другая модель - улавливающий механизм. В этой модели RNAP захватывается ppGpp в закрытые комплексы и неспособен инициировать транскрипцию. Таким образом, ppGpp, по-видимому, действует на многих уровнях, и механизм его действия является сложным результатом нескольких факторов, и внутренние свойства промотора не являются последним из них. Активация транскрипции с помощью ppGpp может быть прямой или косвенной. Прямая активация происходит, когда RNAP взаимодействует с эффекторами, такими как ppGpp, DksA или обоими, для увеличения транскрипции с данного промотора. Непрямая активация этими эффекторами одного промотора зависит от ингибирования других (сильных) промоторов, что приводит к повышенной доступности РНКП, которая косвенно активирует инициацию транскрипции. Промоторы, активируемые непосредственно ppGpp, включают PargI, ПthrABC, ПlivJ, а PhisG. Промоторы косвенной активации включают промоторы, зависящие от сигма-факторов: S, H, N, E. Когда сильные промоторы, такие как р-р, ингибируются, для этих альтернативных сигма-факторов доступно больше RNAP.

Патогенез и (p) ppGpp

Когда (p) ppGpp отсутствует, патогенность снижается по причинам, которые зависят от изучаемого организма. Удаление relА и споT гены, но не relA в одиночку дал (p) ppGpp0 состояние, которое привело к сильному ослаблению у мышей и неинвазивности in vitro. Тесты вакцины показывают, что через 30 дней после однократной иммунизации (p) ppGpp0 штамма мышей защищали от заражения сальмонеллой дикого типа в дозе 106-кратно выше установленного LD50.

Накопление полифосфатов

Было высказано предположение, что усиленный синтез (p) ppGpp вызовет полифосфат (PolyP) накопление в Кишечная палочка и .[3] Тревога может взаимодействовать с экзополифосфатаза PPX, что ингибирует гидролиз PolyP, вызывая его накопление в бактериях. Хотя недавно было показано, что на самом деле это DksA, а не (p) ppGpp, который вызывает это накопление.[4] Это было показано в Синегнойная палочка что фото мутант (фото принадлежит к Пхо Регулон) синтезирует больше (p) ppGpp, и это может быть одной из причин того, что он накапливает больше полифосфатов.[5]

Рекомендации

  1. ^ Шривацан, А .; Ван, Дж. Д. (2008). «Контроль бактериальной транскрипции, трансляции и репликации с помощью (p) ppGpp». Текущее мнение в микробиологии. 11 (2): 100–105. Дои:10.1016 / j.mib.2008.02.001. PMID  18359660.
  2. ^ Кашел М., Джентри Д.Р., Эрнандес В.Х., Винелла Д.: Строгий ответ. В кишечная палочка и Сальмонелла: клеточная и молекулярная биология, изд. 2. Под редакцией Neidhardt FC, Curtiss III R, Ingraham JL, Lin ECC, Low KB, Magasanik B, Reznikoff WS, Riley M, Schaechter M, Umbarger HE.ASM Press; 1996 г.
  3. ^ Курода, Акио; Мерфи, Хелен; Кашел, Майкл; Корнберг, Артур (1997-08-22). «Гуанозинтетра- и пентафосфат способствуют накоплению неорганических полифосфатов в Escherichia coli». Журнал биологической химии. 272 (34): 21240–21243. Дои:10.1074 / jbc.272.34.21240. ISSN  0021-9258. PMID  9261133.
  4. ^ Грей, Майкл Дж. (11.02.2019). «Накопление неорганических полифосфатов в Escherichia coli регулируется DksA, но не (p) ppGpp». Журнал бактериологии. 201 (9). Дои:10.1128 / jb.00664-18. ISSN  0021-9193. ЧВК  6456864. PMID  30745375.
  5. ^ де Алмейда, Луис Густаво; Ортис, Джулия Хелена; Schneider, René P .; Спира, Бени (2015-02-20). «Инактивация phoU в Pseudomonas aeruginosa увеличивает накопление ppGpp и полифосфатов». Прикладная и экологическая микробиология. 81 (9): 3006–3015. Дои:10.1128 / aem.04168-14. ISSN  0099-2240. ЧВК  4393453. PMID  25710363.

дальнейшее чтение