Двухкомпонентная система регулирования - Two-component regulatory system

Гистидинкиназа
Идентификаторы
СимволHis_kinase
PfamPF06580
ИнтерПроIPR016380
OPM суперсемейство281
Белок OPM5iji
Его домен киназы А (фосфоакцептор)
PDB 1joy EBI.jpg
решенная структура гомодимерного домена EnvZ из кишечная палочка многомерным ЯМР.
Идентификаторы
СимволHisKA
PfamPF00512
Pfam кланCL0025
ИнтерПроIPR003661
УМНЫЙHisKA
SCOP21b3q / Объем / СУПФАМ
Гистидинкиназа
Идентификаторы
СимволHisKA_2
PfamPF07568
Pfam кланCL0025
ИнтерПроIPR011495
Гистидинкиназа
Идентификаторы
СимволHisKA_3
PfamPF07730
Pfam кланCL0025
ИнтерПроIPR011712
Сигнал трансдукции гистидинкиназы, гомодимерный домен
PDB 1i5d EBI.jpg
структура CheA домена p4 в комплексе с TNP-ATP
Идентификаторы
СимволH-kinase_dim
PfamPF02895
ИнтерПроIPR004105
SCOP21b3q / Объем / СУПФАМ
Гистидинкиназа N-концевой
Идентификаторы
СимволHisK_N
PfamPF09385
ИнтерПроIPR018984
Осмочувствительный K+ канал Его домен сенсора киназы
Идентификаторы
СимволKdpD
PfamPF02702
ИнтерПроIPR003852

В области молекулярная биология, а двухкомпонентная система регулирования служит основным механизмом сопряжения «стимул-реакция», позволяя организмам ощущать и реагировать на изменения во многих различных условиях окружающей среды.[1] Двухкомпонентные системы обычно состоят из мембранно-связанного гистидинкиназа который воспринимает конкретный стимул окружающей среды и соответствующий регулятор реакции который опосредует клеточный ответ, в основном за счет дифференциальной экспрессии генов-мишеней.[2] Хотя двухкомпонентные системы сигнализации встречаются во всех области жизни, они наиболее распространены в бактерии, особенно в Грамотрицательный и цианобактерии; как гистидинкиназы, так и регуляторы ответа являются одними из крупнейших семейств генов бактерий.[3] Они гораздо реже встречаются в археи и эукариоты; хотя они действительно появляются в дрожжи, нитчатые грибы, и слизевые формы, и распространены в растения,[1] двухкомпонентные системы были описаны как «явно отсутствующие» в животные.[3]

Механизм

Двухкомпонентные системы выполняют преобразование сигнала сквозь фосфорилирование из регулятор реакции (RR) автор гистидинкиназа (HK). Гистидинкиназы обычно гомодимерный трансмембранные белки содержащие гистидин-фосфоперенос домен и АТФ-связывающий домен, хотя есть сообщения о примерах гистидинкиназ в атипичных HWE и HisKA2 семьи, не являющиеся гомодимерами.[4] Регуляторы ответа могут состоять только из домена-приемника, но обычно представляют собой многодоменные белки с доменом-приемником и по крайней мере одним эффекторным или выходным доменом, часто участвующим в Связывание ДНК.[3] Обнаружив конкретное изменение внеклеточной среды, HK выполняет аутофосфорилирование реакция, передавая фосфорил группа из аденозинтрифосфат (ATP) к определенному гистидин остаток. Родственный регулятор реакции (RR) затем катализирует перенос фосфорильной группы на аспартат остаток на ресивере регулятора срабатывания домен.[5][6] Обычно это вызывает конформационное изменение который активирует эффекторный домен RR, который, в свою очередь, вызывает клеточный ответ на сигнал, обычно путем стимуляции (или подавления) выражение целевой гены.[3]

Многие HK являются бифункциональными и обладают фосфатаза активность против их родственных регуляторов ответа, так что их сигнальный выход отражает баланс между их киназной и фосфатазной активностями. Многие регуляторы ответа также авто-дефосфорилируют,[7] и относительно лабильный фосфоаспартат также может подвергаться неферментативному гидролизу.[1] Общий уровень фосфорилирование регулятора реагирования в конечном итоге контролирует его деятельность.[1][8]

Фосфореле

Некоторые гистидинкиназы представляют собой гибриды, содержащие внутренний домен-приемник. В этих случаях гибрид HK аутофосфорилирует, а затем переносит фосфорильную группу в свой собственный внутренний домен-приемник, а не в отдельный белок RR. Затем фосфорильная группа перемещается в гистидинфосфотрансфераза (HPT), а затем к терминальному RR, который может вызвать желаемый ответ.[9][10] Эта система называется фосфореле. Почти 25% бактериальных HK относятся к гибридному типу, как и подавляющее большинство эукариотических HK.[3]

Функция

Двухкомпонентный преобразование сигнала системы позволяют бактерии чувствовать, реагировать и адаптироваться к широкому спектру сред, факторов стресса и рост условия.[11] Эти пути были адаптированы для ответа на широкий спектр раздражителей, в том числе питательные вещества, Сотовая связь редокс состояние, изменения в осмолярность, сигналы кворума, антибиотики, температура, хемоаттрактанты, pH и больше.[12][13] Среднее количество двухкомпонентных систем в бактериальном геном оценивается примерно в 30,[14] или около 1-2% генома прокариот.[15] У некоторых бактерий их вообще нет - обычно это эндосимбионты и патогены, - а у других их более 200.[16][17] Все такие системы должны быть тщательно регулируемый для предотвращения перекрестных разговоров, которые случаются редко in vivo.[18]

В кишечная палочка, то осморегуляторный Двухкомпонентная система EnvZ / OmpR управляет дифференциальным выражением внешняя мембрана порин белки OmpF и OmpC.[19] Белки сенсорной киназы KdpD регулируют kdpFABC оперон ответственный за калий транспорт в бактериях, включая Кишечная палочка и Clostridium acetobutylicum.[20] N-концевой домен этого белка образует часть цитоплазматической области белка, которая может быть сенсорным доменом, ответственным за восприятие тургор давление.[21]

Гистидинкиназы

Преобразование сигнала гистидинкиназы являются ключевыми элементами в двухкомпонентных системах передачи сигналов.[22][23] Примерами гистидинкиназ являются EnvZ, играющая центральную роль в осморегуляция,[24] и CheA, который играет центральную роль в хемотаксис система.[25] Гистидинкиназы обычно имеют N-концевой лиганд -связывающий домен и C-терминал киназный домен, но другие домены также может присутствовать. Киназный домен отвечает за аутофосфорилирование гистидина АТФ, за фосфотрансфер от киназы к аспартат регулятора ответа и (с бифункциональными ферментами) фосфотрансфер от аспартил фосфат в воды.[26] Ядро киназы имеет уникальную складку, отличную от складки киназы Ser / Thr / Tyr. надсемейство.

HK можно условно разделить на два класса: ортодоксальные и гибридные киназы.[27][28] Большинство ортодоксальных HK, представленных Кишечная палочка Белок EnvZ, функционирует как периплазматический мембранные рецепторы и имеют сигнальный пептид и трансмембранный сегмент (ы), которые разделяют белок на периплазматический N-концевой сенсорный домен и высококонсервативный цитоплазматический С-концевое ядро ​​киназы. Однако члены этого семейства имеют интегрированный мембранный сенсорный домен. Не все ортодоксальные киназы мембрана связаны, например, азот регуляторная киназа NtrB (GlnL) представляет собой растворимую цитоплазматический HK.[6] Гибридные киназы содержат множество фосфодонорных и фосфоакцепторных сайтов и используют многоступенчатые схемы фосфорелейной передачи вместо того, чтобы способствовать переносу одного фосфорила. В дополнение к сенсорному домену и киназному ядру они содержат CheY-подобный принимающий домен и His-содержащий домен фосфотрансфера (HPt).

Эволюция

Количество двухкомпонентных систем, присутствующих в бактериальном геноме, сильно коррелирует с размером генома, а также экологическая ниша; Бактерии, занимающие ниши с частыми колебаниями окружающей среды, обладают большим количеством гистидинкиназ и регуляторов ответа.[3][29] Новые двухкомпонентные системы могут возникнуть дупликация гена или по боковой перенос гена, и относительные скорости каждого процесса сильно различаются для разных видов бактерий.[30] В большинстве случаев гены-регуляторы ответа расположены в одной оперон в качестве родственной им гистидинкиназы;[3] латеральные переносы генов с большей вероятностью сохранят структуру оперона, чем дупликации генов.[30]

У эукариот

Двухкомпонентные системы редко встречаются в эукариоты. Они появляются в дрожжи, нитчатые грибы, и слизевые формы, и относительно часто встречаются в растения, но были описаны как "явно отсутствующие" в животные.[3] Двухкомпонентные системы у эукариот, вероятно, происходят из боковой перенос гена, часто из эндосимбиотический органеллы и обычно относятся к типу гибридных киназ-фосфорелей.[3] Например, в дрожжах грибковые микроорганизмы албиканс, гены, обнаруженные в ядерном геноме, вероятно, произошли от эндосимбиоз и оставаться нацеленными на митохондрии.[31] Двухкомпонентные системы хорошо интегрированы в сигнальные пути развития растений, но гены, вероятно, произошли от боковой перенос гена от хлоропласты.[3] Примером может служить сенсорная киназа хлоропластов (CSK) ген в Arabidopsis thaliana, происходящие из хлоропластов, но теперь интегрированные в ядерный геном. Функция CSK обеспечивает редокс -основанная система регулирования, которая объединяет фотосинтез в хлоропласт экспрессия гена; это наблюдение было описано как ключевое предсказание Гипотеза CoRR, который призван объяснить сохранение генов, кодируемых эндосимбиотическими органеллами.[32][33]

Неясно, почему канонические двухкомпонентные системы редки у эукариот, поскольку многие аналогичные функции были взяты на себя сигнальными системами, основанными на серин, треонин, или тирозин киназы; Было высказано предположение, что ответственна за это химическая нестабильность фосфоаспартата и что повышенная стабильность необходима для передачи сигналов в более сложные эукариотические клетки.[3] Примечательно, что перекрестные помехи между сигнальными механизмами очень часто встречаются в сигнальных системах эукариот, но редко в бактериальных двухкомпонентных системах.[34]

Биоинформатика

Из-за их сходство последовательностей и оперон структуры, многие двухкомпонентные системы, особенно гистидинкиназы, относительно легко идентифицировать с помощью биоинформатика анализ. (Напротив, эукариотические киназы обычно легко идентифицируются, но их нелегко спарить с их субстраты.)[3] А база данных двухкомпонентных систем прокариот, называемых P2CS, был составлен для документирования и классификации известных примеров, а в некоторых случаях для прогнозирования родственников «сиротской» гистидинкиназы или белков-регуляторов ответа, которые генетически не связаны с партнером.[35][36]

использованная литература

  1. ^ а б c d Сток А.М., Робинсон В.Л., Гудро П.Н. (2000). «Двухкомпонентное преобразование сигнала». Ежегодный обзор биохимии. 69 (1): 183–215. Дои:10.1146 / annurev.biochem.69.1.183. PMID  10966457.
  2. ^ Mascher T, Helmann JD, Unden G (декабрь 2006 г.). «Восприятие стимула в бактериальных гистидинкиназах, передающих сигнал». Обзоры микробиологии и молекулярной биологии. 70 (4): 910–38. Дои:10.1128 / MMBR.00020-06. ЧВК  1698512. PMID  17158704.
  3. ^ а б c d е ж г час я j k л Капра Э.Дж., Лауб М.Т. (2012). «Эволюция двухкомпонентных систем передачи сигналов». Ежегодный обзор микробиологии. 66: 325–47. Дои:10.1146 / annurev-micro-092611-150039. ЧВК  4097194. PMID  22746333.
  4. ^ Herrou, J; Crosson, S; Фибиг, А (февраль 2017 г.). «Структура и функция сенсорных гистидинкиназ семейства HWE / HisKA2». Curr. Мнение. Микробиол. 36: 47–54. Дои:10.1016 / j.mib.2017.01.008. ЧВК  5534388. PMID  28193573.
  5. ^ Sanders DA, Gillece-Castro BL, Stock AM, Burlingame AL, Koshland DE (декабрь 1989 г.). «Идентификация сайта фосфорилирования белка регулятора ответа хемотаксиса, CheY». Журнал биологической химии. 264 (36): 21770–8. PMID  2689446.
  6. ^ а б Sanders DA, Gillece-Castro BL, Burlingame AL, Koshland DE (август 1992 г.). «Сайт фосфорилирования NtrC, протеинфосфатазы, ковалентный промежуточный продукт которой активирует транскрипцию». Журнал бактериологии. 174 (15): 5117–22. Дои:10.1128 / jb.174.15.5117-5122.1992. ЧВК  206329. PMID  1321122.
  7. ^ West AH, Stock AM (июнь 2001 г.). «Гистидинкиназы и белки-регуляторы ответа в двухкомпонентных сигнальных системах». Тенденции в биохимических науках. 26 (6): 369–76. Дои:10.1016 / s0968-0004 (01) 01852-7. PMID  11406410.
  8. ^ Stock JB, Ninfa AJ, Stock AM (декабрь 1989 г.). «Фосфорилирование белков и регуляция адаптивных ответов у бактерий». Микробиологические обзоры. 53 (4): 450–90. Дои:10.1128 / MMBR.53.4.450-490.1989. ЧВК  372749. PMID  2556636.
  9. ^ Варугезе К.И. (апрель 2002 г.). «Молекулярное распознавание бактериальных белков фосфора». Текущее мнение в микробиологии. 5 (2): 142–8. Дои:10.1016 / S1369-5274 (02) 00305-3. PMID  11934609.
  10. ^ Hoch JA, Varughese KI (сентябрь 2001 г.). «Сохранение прямых сигналов при передаче сигналов с помощью фосфора». Журнал бактериологии. 183 (17): 4941–9. Дои:10.1128 / jb.183.17.4941-4949.2001. ЧВК  95367. PMID  11489844.
  11. ^ Скеркер Дж. М., Прасол М. С., Перчук Б. С., Бионди Э. Г., Лауб М. Т. (октябрь 2005 г.). «Двухкомпонентные пути передачи сигнала, регулирующие рост и развитие клеточного цикла бактерии: анализ на системном уровне». PLOS Биология. 3 (10): e334. Дои:10.1371 / journal.pbio.0030334. ЧВК  1233412. PMID  16176121.
  12. ^ Wolanin PM, Thomason PA, Stock JB (сентябрь 2002 г.). «Гистидиновые протеинкиназы: ключевые преобразователи сигналов за пределами животного мира». Геномная биология. 3 (10): ОБЗОРЫ 3013. Дои:10.1186 / gb-2002-3-10-reviews3013. ЧВК  244915. PMID  12372152.
  13. ^ Attwood PV, Пигготт MJ, Zu XL, Besant PG (январь 2007 г.). «Сосредоточьтесь на фосфогистидине». Аминокислоты. 32 (1): 145–56. Дои:10.1007 / s00726-006-0443-6. PMID  17103118. S2CID  6912202.
  14. ^ Schaller, GE; Шиу, SH; Армитаж, JP (10 мая 2011 г.). «Двухкомпонентные системы и их варианты для передачи эукариотических сигналов». Текущая биология. 21 (9): R320–30. Дои:10.1016 / j.cub.2011.02.045. PMID  21549954. S2CID  18423129.
  15. ^ Сальвадо, B; Вилаприньо, Э; Соррибас, А; Алвес, Р. (2015). «Обзор доменов HK, HPt и RR и их организации в двухкомпонентных системах и фосфорелейных белках организмов с полностью секвенированными геномами». PeerJ. 3: e1183. Дои:10.7717 / peerj.1183. ЧВК  4558063. PMID  26339559.
  16. ^ Wuichet, K; Cantwell, BJ; Жулин И.Б. (апрель 2010 г.). «Эволюция и филетическое распространение двухкомпонентных систем передачи сигналов». Текущее мнение в микробиологии. 13 (2): 219–25. Дои:10.1016 / j.mib.2009.12.011. ЧВК  3391504. PMID  20133179.
  17. ^ Ши, X; Wegener-Feldbrügge, S; Хантли, S; Hamann, N; Hedderich, R; Согаард-Андерсен, Л. (январь 2008 г.). «Биоинформатика и экспериментальный анализ белков двухкомпонентных систем Myxococcus xanthus». Журнал бактериологии. 190 (2): 613–24. Дои:10.1128 / jb.01502-07. ЧВК  2223698. PMID  17993514.
  18. ^ Лауб М.Т., Гулиан М. (2007). «Специфика двухкомпонентных путей передачи сигнала». Ежегодный обзор генетики. 41: 121–45. Дои:10.1146 / annurev.genet.41.042007.170548. PMID  18076326.
  19. ^ Баклер Д.Р., Ананд Г.С., Сток А.М. (апрель 2000 г.). «Фосфорилирование и активация регулятора ответа: улица с двусторонним движением?». Тенденции в микробиологии. 8 (4): 153–6. Дои:10.1016 / S0966-842X (00) 01707-8. PMID  10754569.
  20. ^ Treuner-Lange A, Kuhn A, Dürre P (июль 1997 г.). «Система kdp Clostridium acetobutylicum: клонирование, секвенирование и регуляция транскрипции в ответ на концентрацию калия». Журнал бактериологии. 179 (14): 4501–12. Дои:10.1128 / jb.179.14.4501-4512.1997. ЧВК  179285. PMID  9226259.
  21. ^ Walderhaug MO, Polarek JW, Voelkner P, Daniel JM, Hesse JE, Altendorf K, Epstein W (апрель 1992 г.). «KdpD и KdpE, белки, которые контролируют экспрессию оперона kdpABC, являются членами двухкомпонентного сенсорно-эффекторного класса регуляторов». Журнал бактериологии. 174 (7): 2152–9. Дои:10.1128 / jb.174.7.2152-2159.1992. ЧВК  205833. PMID  1532388.
  22. ^ Perego M, Hoch JA (март 1996 г.). «Протеин-аспартат-фосфатазы контролируют выход двухкомпонентных систем передачи сигналов». Тенденции в генетике. 12 (3): 97–101. Дои:10.1016 / 0168-9525 (96) 81420-Х. PMID  8868347.
  23. ^ West AH, Stock AM (июнь 2001 г.). «Гистидинкиназы и белки-регуляторы ответа в двухкомпонентных сигнальных системах». Тенденции в биохимических науках. 26 (6): 369–76. Дои:10.1016 / S0968-0004 (01) 01852-7. PMID  11406410.
  24. ^ Томомори С., Танака Т., Датта Р., Пак Х., Саха С.К., Чжу Й., Ишима Р., Лю Д., Тонг К.И., Курокава Х., Цянь Х., Иноуэ М., Икура М. (август 1999 г.). «Структура раствора гомодимерного корового домена гистидинкиназы Escherichia coli EnvZ». Структурная биология природы. 6 (8): 729–34. Дои:10.1038/11495. PMID  10426948. S2CID  23334643.
  25. ^ Билвес А.М., Алекс Л.А., Крейн Б.Р., Саймон М.И. (январь 1999 г.). «Структура CheA, гистидинкиназы, передающей сигнал». Ячейка. 96 (1): 131–41. Дои:10.1016 / S0092-8674 (00) 80966-6. PMID  9989504. S2CID  16842653.
  26. ^ Виерстра Р.Д., Дэвис С.Дж. (декабрь 2000 г.). «Бактериофитохромы: новые инструменты для понимания передачи сигнала фитохрома». Семинары по клеточной биологии и биологии развития. 11 (6): 511–21. Дои:10.1006 / scdb.2000.0206. PMID  11145881.
  27. ^ Алекс Л.А., Саймон М.И. (апрель 1994 г.). «Протеин-гистидинкиназы и передача сигнала в прокариотах и ​​эукариотах». Тенденции в генетике. 10 (4): 133–8. Дои:10.1016/0168-9525(94)90215-1. PMID  8029829.
  28. ^ Паркинсон Дж. С., Кофоид ЕС (1992). «Коммуникационные модули в бактериальных сигнальных белках». Ежегодный обзор генетики. 26: 71–112. Дои:10.1146 / annurev.ge.26.120192.000443. PMID  1482126.
  29. ^ Гальперин М.Ю. (июнь 2006 г.). «Структурная классификация регуляторов бактериального ответа: разнообразие выходных доменов и комбинаций доменов». Журнал бактериологии. 188 (12): 4169–82. Дои:10.1128 / JB.01887-05. ЧВК  1482966. PMID  16740923.
  30. ^ а б Альм Э., Хуанг К., Аркин А. (ноябрь 2006 г.). «Эволюция двухкомпонентных систем у бактерий показывает разные стратегии адаптации ниши». PLOS вычислительная биология. 2 (11): e143. Дои:10.1371 / journal.pcbi.0020143. ЧВК  1630713. PMID  17083272.
  31. ^ Маврианос Дж., Берков Е.Л., Десаи К., Пандей А., Батиш М., Рабади М.Дж., Баркер К.С., Пейн Д., Роджерс П.Д., Евгенин Е.А., Чаухан Н. (июнь 2013 г.). «Митохондриальные двухкомпонентные сигнальные системы Candida albicans». Эукариотическая клетка. 12 (6): 913–22. Дои:10.1128 / EC.00048-13. ЧВК  3675996. PMID  23584995.
  32. ^ Puthiyaveetil S, Kavanagh TA, Cain P, Sullivan JA, Newell CA, Gray JC, Robinson C, van der Giezen M, Rogers MB, Allen JF (июль 2008 г.). «Сенсорная киназа предкового симбионта CSK связывает фотосинтез с экспрессией генов в хлоропластах». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 105 (29): 10061–6. Дои:10.1073 / pnas.0803928105. ЧВК  2474565. PMID  18632566.
  33. ^ Аллен Дж. Ф. (август 2015 г.). «Почему хлоропласты и митохондрии сохраняют свои собственные геномы и генетические системы: колокация для окислительно-восстановительной регуляции экспрессии генов». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 112 (33): 10231–8. Дои:10.1073 / pnas.1500012112. ЧВК  4547249. PMID  26286985.
  34. ^ Rowland MA, Deeds EJ (апрель 2014 г.). «Перекрестные помехи и эволюция специфичности в двухкомпонентной передаче сигналов». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 111 (15): 5550–5. Дои:10.1073 / pnas.1317178111. ЧВК  3992699. PMID  24706803.
  35. ^ Баракат М., Ортет П., Уитворт Д.Е. (январь 2011 г.). «P2CS: база данных прокариотических двухкомпонентных систем». Исследования нуклеиновых кислот. 39 (Выпуск базы данных): D771–6. Дои:10.1093 / nar / gkq1023. ЧВК  3013651. PMID  21051349.
  36. ^ Ортет П., Витворт Д.Е., Сантаелла С., Ачуак В., Баракат М. (январь 2015 г.). «P2CS: обновление базы данных прокариотических двухкомпонентных систем». Исследования нуклеиновых кислот. 43 (Выпуск базы данных): D536–41. Дои:10.1093 / нар / gku968. ЧВК  4384028. PMID  25324303.

внешние ссылки

  • http://www.p2cs.org: База данных прокариотических 2-компонентных систем
Эта статья включает текст из общественного достояния Pfam и ИнтерПро: IPR011712
Эта статья включает текст из общественного достояния Pfam и ИнтерПро: IPR010559
Эта статья включает текст из общественного достояния Pfam и ИнтерПро: IPR003661
Эта статья включает текст из общественного достояния Pfam и ИнтерПро: IPR011495
Эта статья включает текст из общественного достояния Pfam и ИнтерПро: IPR004105
Эта статья включает текст из общественного достояния Pfam и ИнтерПро: IPR011126
Эта статья включает текст из общественного достояния Pfam и ИнтерПро: IPR003852