RpoS - RpoS


Ген rpoS (рNA poлимфераза, сигма S) кодирует фактор сигма сигма-38 (σ38, или RpoS), белок 37,8 кДа в кишечная палочка.[1] Сигма-факторы - это белки, регулирующие транскрипция в бактерии. Сигма-факторы могут активироваться в зависимости от различных условий окружающей среды. rpoS транскрибируется в поздней экспоненциальной фазе, а RpoS является основным регулятором генов стационарной фазы. RpoS является центральным регулятором общей стрессовой реакции и действует как ретроактивно, так и проактивно: он не только позволяет клетке выжить в условиях окружающей среды, но также подготавливает клетку к последующим стрессам (перекрестная защита).[2] Регулятор транскрипции CsgD занимает центральное место в биопленка формирование, контролируя выражение Curli структурные и экспортные белки, а дигуанилатциклаза, adrA, косвенно активирующий выработку целлюлозы.[3] В rpoS ген, скорее всего, возник в гаммапротеобактерии.[2]

Сигнал окружающей среды к активации: регуляция RpoS

Регуляторные механизмы, контролирующие RpoS, существуют на разных уровнях генной и белковой организации: транскрипция, перевод, деградация и активность белка. Эти процессы происходят в ответ на стрессы, такие как почтиУФ-излучение, кислота, температура или осмотический шок, окислительный стресс, и недостаток питательных веществ. Хотя в этих областях было выявлено множество ключевых регулирующих органов, точные механизмы, с помощью которых они сигнализируют rpoS транскрипция, трансляция, протеолиз или активность в значительной степени не охарактеризованы.

Транскрипционный контроль rpoS

Транскрипция rpoS в Кишечная палочка в основном регулируется хромосомным промотором rpoSp.[4] rpoSp способствует транскрипции rpoS мРНК и индуцируется при входе в стационарная фаза в клетках, растущих на богатой среде, по неизвестному механизму.[5] Фланговый rpoSp - это два предполагаемых лагерь -CRP (циклический AMP-cAMP рецепторный белок ) сайты связывания, которые, кажется, контролируют rpoS транскрипция антагонистическим образом. Положение первого сайта выше основного rpoS промотор соответствует «классическому активатору», аналогичному обнаруженному в лак промотор, тем самым предполагая, что его эффекты на транскрипцию активируются (Lange and Hengge-Aronis, 1994); напротив, расположение второго сайта цАМФ-CRP указывает на ингибирующее действие. В экспоненциальной фазе crp мутанты демонстрируют высокий уровень rpoS экспрессия, предполагая, что цАМФ-СРБ ингибирует rpoS транскрипция. С другой стороны, при переходе в стационарную фазу цАМФ-CRP может активировать rpoS транскрипция (Hengge-Aronis, 2002). Хотя эти наблюдения могут объяснить кажущуюся двойственную природу сайтов связывания цАМФ-СРБ, они требуют объяснения фазозависимого выбора активации сайта цАМФ-СРБ, чтобы полностью учесть противоречивые данные. Дополнительные регулирующие меры для rpoS транскрипция включает: BarA, a Датчик гистидина киназа который может активировать OmpR и тем самым способствовать синтезу порина; уровни малых молекул, таких как ppGppp которые могут препятствовать удлинению транскрипции или стабильности в ответ на ограничение аминокислот или голодание по углероду, азоту или фосфору (Gentry и другие., 1993). Несмотря на многочисленные элементы управления rpoS транскрипция, клеточная rpoS Уровни мРНК остаются высокими во время экспоненциальной фазы, и большинство внеклеточных стимулы существенно не влияют rpoS транскрипция.

Трансляционный контроль rpoS

Большая часть экспрессии RpoS определяется на уровне трансляции.[6] мРНК (небольшой некодированный РНК ) чувствуют изменения окружающей среды и, в свою очередь, увеличивают rpoS Трансляция мРНК, позволяющая клетке соответствующим образом адаптироваться к внешнему стрессу. Промотор 85-нуклеотидной мРНК DsrA содержит чувствительный к температуре термоконтроль инициации транскрипции, поскольку он подавляется при высоких (42 ° C) температурах, но вызывает (возможно, путем дополнительного связывания с) rpoS при низких (25˚С) температурах.[7] Другая мРНК, RprA, стимулирует rpoS трансляция в ответ на стресс клеточной поверхности, передаваемый через RcsC сенсорная киназа.[7] Третий тип мРНК, OxyS, регулируется OxyR, основным сенсором окислительного шока.[8] Механизм, с помощью которого OxyS мешает работе rpoS мРНК переводческая эффективность не известно. Однако РНК-связывающий белок Hfq вовлечен в процесс.[9] Hfq привязывается к rpoS мРНК in vitro и может таким образом изменить rpoS Структура мРНК для оптимальной трансляции. Hfq активирует как DsrA, так и RprA. Напротив, LeuO подавляет rpoS перевод путем репрессии dsrA экспрессия и гистоноподобный белок HN-S (и его паралог StpA) ингибирует rpoS перевод через неизвестный механизм. Кроме того, H-NS, LeuO, Hfq и DsrA образуют взаимосвязанную регуляторную сеть, которая в конечном итоге контролирует rpoS перевод.

Также было показано, что трансляция RpoS контролируется у других видов бактерий, помимо Escherichia coli. Например, у условно-патогенного микроорганизма человека Синегнойная палочка мРНК ReaL трансляционно подавляет мРНК rpoS.[10]

Деградация RpoS

Протеолиз RpoS формирует еще один уровень регуляции сигма-фактора. Разложение происходит через ClpXP, бочкообразную протеазу, состоящую из двух колец из шести субъединиц АТФ-зависимого шаперона ClpX, которые окружают два кольца из семи субъединиц ClpP (Repoila и другие., 2003). Регулятор ответа RssB был идентифицирован как σS-специфический фактор распознавания, критический для деградации RpoS. Дополнительные факторы, которые, как известно, регулируют протеолиз RpoS, но с помощью недостаточно изученных механизмов, включают: RssA, который обнаруживается в том же опероне, что и RssB; H-NS и DnaK, оба из которых также регулируют rpoS трансляция мРНК и LrhA; и ацетилфосфат влияет на протеолиз RpoS, возможно, действуя как донор фосфорила для RssB.

Регулятор RpoS

В соответствии со своей ролью главного регулятора бактериального стрессового ответа, RpoS регулирует экспрессию генов стресс-ответа, которые попадают в различные функциональные категории: стрессоустойчивость, морфология клеток, метаболизм, вирулентность и лизис.

Стрессоустойчивость

Многие гены, находящиеся под контролем RpoS, придают стрессоустойчивость таким воздействиям, как Повреждение ДНК, присутствие активные формы кислорода и осмотический шок. Продукт xthA представляет собой экзонуклеазу, которая участвует в репарации ДНК путем распознавания и удаления 5’-монофосфатов вблизи абазических участков поврежденной ДНК.[11] Аналогичным образом каталазы HPI и HPII, кодируемые katG и Катя превращают вредные молекулы перекиси водорода в воду и кислород.[12] В отсБА генный продукт трегалоза функционирует как осмозащитное средство и необходим для устойчивости к высыханию.[13] Дополнительные RpoS-зависимые факторы, участвующие в окислительном стрессе, включают: глутатионредуктаза (закодировано Гор), и супероксиддисмутаза (закодировано sodC).[14]

Это также было обнаружено с помощью сравнительного протеомного анализа с Б. pseudomallei, что rpoS регулирует восемь белков, чувствительных к окислению, включая ScoA (субъединица SCOT), о вовлечении которых ранее не было известно о реакции на окислительный стресс. Регуляторным эффектом в этом случае является подавление RpoS экспрессии SCOT в ответ на окислительный стресс в Б. pseudomallei.[15]

Морфология

RpoS-зависимые гены, участвующие в изменениях проницаемости клеточных мембран и общей морфологии клеток, в основном относятся к осм семейство генов. osmB кодирует липопротеин внешней мембраны, который может играть роль в агрегации клеток (Jung и другие., 1990)[16], в то время как osmY кодирует периплазматический белок. Дополнительные RpoS-зависимые факторы, определяющие размер и форму клетки, включают морфоген bolA и продукты ftsQAZ оперон, который играет роль во времени деления клетки [17] . Контроль формы клетки, клеточного деления и межклеточного взаимодействия, вероятно, важен для подавления пролиферации клеток и, таким образом, выделения ресурсов для выживания клеток в периоды стресса.

Метаболизм

Метаболически оптимальные условия выживания включают RpoS-зависимое снижение Цикл Кребса активность и повышенная гликолитическая активность для ограничения активных форм кислорода, которые образуются в результате основных клеточных процессов. Пируват вступление в цикл Кребса ингибируется продуктом RpoS-зависимого гена poxB. Общее замедление метаболической активности согласуется с сохранением энергии и замедлением роста в периоды стресса.

Вирулентность

В качестве защитного механизма среда хозяина враждебна вторжению патогенов. Следовательно, инфекция может быть стрессовым событием для патогенных бактерий, и контроль генов вирулентности может быть временно коррелирован со временем заражения патогенами.[18] Открытие RpoS-зависимых генов вирулентности у Сальмонелла согласуется с RpoS в качестве общего регулятора стрессовой реакции: spv Ген, обнаруженный в плазмиде вирулентности этой бактерии, контролируется RpoS и необходим для роста в глубоких лимфоидных тканях, таких как селезенка и печень.[19]

Лизис

RpoS также играет важную роль в регуляции лизиса клеток. Наряду с OmpR, он активирует энтерицидин (ecnAB) локус, который кодирует индуцирующий лизис токсин[20]. В отличие, ssnA отрицательно контролируется RpoS, но также способствует лизису. Как ни парадоксально, в определенных контекстах лизис рассматривается как процесс выживания.

Рекомендации

  1. ^ Ланге Р., Хенгге-Аронис Р. (январь 1991 г.). «Идентификация центрального регулятора экспрессии генов стационарной фазы в Escherichia coli». Молекулярная микробиология. 5 (1): 49–59. Дои:10.1111 / j.1365-2958.1991.tb01825.x. PMID  1849609.
  2. ^ а б Хенгге-Аронис Р. (сентябрь 2002 г.). «Сигнальная трансдукция и регуляторные механизмы, участвующие в контроле сигма (S) (RpoS) субъединицы РНК-полимеразы». Обзоры микробиологии и молекулярной биологии. 66 (3): 373–95, содержание. Дои:10.1128 / MMBR.66.3.373-395.2002. ЧВК  120795. PMID  12208995.
  3. ^ Улич Г.А., Чен С.Ю., Коттрелл Б.Дж., Хофманн С.С., Дадли Э.Г., Стробо Т.П., Нгуен Л.Х. (август 2013 г.). «Встраивание фага в mlrA и вариации в rpoS ограничивают экспрессию curli и образование биопленок у Escherichia coli серотипа O157: H7». Микробиология. 159 (Pt 8): 1586–96. Дои:10.1099 / мик ..0.066118-0. PMID  23744902.
  4. ^ Ланге Р., Фишер Д., Хенгге-Аронис Р. (август 1995 г.). «Идентификация сайтов начала транскрипции и роли ppGpp в экспрессии rpoS, структурного гена сигма-субъединицы S РНК-полимеразы в Escherichia coli». Журнал бактериологии. 177 (16): 4676–80. Дои:10.1128 / jb.177.16.4676-4680.1995. ЧВК  177232. PMID  7642494.
  5. ^ Такаянаги Ю., Танака К., Такахаши Х. (июнь 1994 г.). «Структура 5 'вышележащего региона и регуляция гена rpoS Escherichia coli». Молекулярная и общая генетика. 243 (5): 525–31. Дои:10.1007 / bf00284200. PMID  8208244.
  6. ^ Репоила Ф, Майдалани Н, Готтесман С (май 2003 г.). «Малые некодирующие РНК, координаторы адаптационных процессов у Escherichia coli: парадигма RpoS». Молекулярная микробиология. 48 (4): 855–61. Дои:10.1046 / j.1365-2958.2003.03454.x. PMID  12753181.
  7. ^ а б Следжески Д.Д., Гупта А., Готтесман С. (август 1996 г.). «Малая РНК, DsrA, необходима для низкотемпературной экспрессии RpoS во время экспоненциального роста Escherichia coli». Журнал EMBO. 15 (15): 3993–4000. Дои:10.1002 / j.1460-2075.1996.tb00773.x. ЧВК  452119. PMID  8670904.
  8. ^ Алтувиа С., Вайнштейн-Фишер Д., Чжан А., Постов Л., Сторц Г. (июль 1997 г.). «Маленькая стабильная РНК, индуцированная окислительным стрессом: роль плейотропного регулятора и антимутатора». Клетка. 90 (1): 43–53. Дои:10.1016 / S0092-8674 (00) 80312-8. PMID  9230301.
  9. ^ Браун Л., Эллиот Т. (июль 1996 г.). «Для эффективной трансляции сигма-фактора RpoS в Salmonella typhimurium требуется фактор хозяина I, РНК-связывающий белок, кодируемый геном hfq». Журнал бактериологии. 178 (13): 3763–70. Дои:10.1128 / jb.178.13.3763-3770.1996. ЧВК  232634. PMID  8682778.
  10. ^ Тхи Бах Нгуен Х., Ромеро А.Д., Амман Ф., Соргер-Доменигг Т., Тата М., Зоннлейтнер Э., Бласи У. (октябрь 2018 г.). «Синегнойная палочка». Границы микробиологии. 9: 2488. Дои:10.3389 / fmicb.2018.02488. ЧВК  6215814. PMID  30420839.
  11. ^ Демпл Б., Халбрук Дж., Линн С. (февраль 1983 г.). «Мутанты Escherichia coli xth гиперчувствительны к перекиси водорода». Журнал бактериологии. 153 (2): 1079–82. Дои:10.1128 / JB.153.2.1079-1082.1983. ЧВК  221738. PMID  6337115.
  12. ^ Schellhorn HE, Stones VL (июль 1992 г.). «Регулирование katF и katE в Escherichia coli K-12 слабыми кислотами». Журнал бактериологии. 174 (14): 4769–76. Дои:10.1128 / jb.174.14.4769-4776.1992. ЧВК  206274. PMID  1385595.
  13. ^ Kaasen I, Falkenberg P, Styrvold OB, Strøm AR (февраль 1992 г.). «Молекулярное клонирование и физическое картирование генов otsBA, которые кодируют путь осморегуляции трегалозы Escherichia coli: свидетельство того, что транскрипция активируется katF (AppR)». Журнал бактериологии. 174 (3): 889–98. Дои:10.1128 / jb.174.3.889-898.1992. ЧВК  206167. PMID  1310094.
  14. ^ Беккер-Хапак М., Эйзенштарк А. (декабрь 1995 г.). «Роль rpoS в регуляции глутатион оксидоредуктазы (гор) в Escherichia coli». Письма о микробиологии FEMS. 134 (1): 39–44. Дои:10.1111 / j.1574-6968.1995.tb07911.x. PMID  8593953.
  15. ^ Юнг Ю, Гутьеррес К., Мартин Ф., Ардурель М., Вилларехо М. (июнь 1990 г.). «Транскрипция osmB, гена, кодирующего липопротеин Escherichia coli, регулируется двойными сигналами. Осмотический стресс и стационарная фаза». Журнал биологической химии. 265 (18): 10574–81. PMID  1693921.
  16. ^ Юнг Ю, Гутьеррес К., Мартин Ф., Ардурель М., Вилларехо М. (июнь 1990 г.). «Транскрипция osmB, гена, кодирующего липопротеин Escherichia coli, регулируется двойными сигналами. Осмотический стресс и стационарная фаза». Журнал биологической химии. 265 (18): 10574–81. PMID  1693921.
  17. ^ Ланге Р., Фишер Д., Хенгге-Аронис Р. (август 1995 г.). «Идентификация сайтов начала транскрипции и роли ppGpp в экспрессии rpoS, структурного гена сигма-субъединицы S РНК-полимеразы в Escherichia coli». Журнал бактериологии. 177 (16): 4676–80. Дои:10.1128 / jb.177.16.4676-4680.1995. ЧВК  177232. PMID  7642494.
  18. ^ Хенгге-Аронис Р. (сентябрь 2002 г.). «Сигнальная трансдукция и регуляторные механизмы, участвующие в контроле сигма (S) (RpoS) субъединицы РНК-полимеразы». Обзоры микробиологии и молекулярной биологии. 66 (3): 373–95, содержание. Дои:10.1128 / mmbr.66.3.373-395.2002. ЧВК  120795. PMID  12208995.
  19. ^ Гулиг П.А., Данбара Х., Гвини Д.Г., Лакс А.Дж., Норел Ф., Рен М. (март 1993 г.). «Молекулярный анализ генов вирулентности spv плазмид вирулентности сальмонелл». Молекулярная микробиология. 7 (6): 825–30. Дои:10.1111 / j.1365-2958.1993.tb01172.x. PMID  8483415.
  20. ^ Епископ Р. Э., Лескив Б. К., Ходжес Р. С., Кей С. М., Вайнер Дж. Х. (июль 1998 г.). «Энтерицидный локус Escherichia coli и его значение для запрограммированной гибели бактериальных клеток». Журнал молекулярной биологии. 280 (4): 583–96. Дои:10.1006 / jmbi.1998.1894. PMID  9677290.

дальнейшее чтение