Двухкомпонентная система регулирования

В области молекулярной биологии, A двухкомпонентная система регулирования служит в качестве основного соединительного механизма стимула-отклика, чтобы позволить организмов чувствовать и реагировать на изменения в различных условиях окружающей среды. Двухкомпонентные системы обычно состоят из мембраносвязанной гистидинкиназы, которая воспринимает специфический стимул окружающей среды, и соответствующего регулятора ответа, который опосредует клеточный ответ, в основном за счет дифференциальной экспрессии генов-мишеней. Хотя двухкомпонентные сигнальные системы встречаются во всех сферах жизни, они наиболее часто встречаются у бактерий, особенно у грамотрицательных и цианобактерий ; и гистидинкиназы, и регуляторы ответа являются одними из крупнейших семейств генов у бактерий. Они гораздо реже встречаются у архей и эукариот ; Хотя они действительно появляются в дрожжах, нитчатых грибах и слизистых плесени, а также распространены у растений, двухкомпонентные системы были описаны как «явно отсутствующие» у животных.

СОДЕРЖАНИЕ

1 Механизм
- 1.1 Фосфореле
2 Функция
3 гистидинкиназы
4 Эволюция
5 У эукариот
6 Биоинформатика
7 ссылки
8 Внешние ссылки

Механизм

Двухкомпонентные системы выполнить передачу сигнала через фосфорилирование в виде регулятора ответа (RR) с помощью гистидин - киназы (HK). Гистидинкиназы обычно представляют собой гомодимерные трансмембранные белки, содержащие гистидиновый фосфотрансферный домен и АТФ-связывающий домен, хотя есть сообщения о примерах гистидинкиназ в атипичных семействах HWE и HisKA2, которые не являются гомодимерами. 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 связывании ДНК. Обнаружив конкретное изменение внеклеточной среды, HK выполняет реакцию аутофосфорилирования, переводя фосфорильную группу с аденозинтрифосфата (АТФ) на определенный остаток гистидина. Регулятор родственного ответа (RR) затем катализирует перенос фосфорильной группы на остаток аспартата в домене- приемнике регулятора ответа. Это обычно запускает конформационное изменение, которое активирует эффекторный домен RR, который, в свою очередь, вызывает клеточный ответ на сигнал, обычно путем стимуляции (или подавления) экспрессии генов- мишеней.

Многие HK являются бифункциональными и обладают фосфатазной активностью по отношению к своим родственным регуляторам ответа, так что их сигнальный выход отражает баланс между их киназной и фосфатазной активностями. Многие регуляторы ответа также авто-дефосфорилируют, и относительно лабильный фосфоаспартат также может гидролизоваться неферментативно. Общий уровень фосфорилирования регулятора ответа в конечном итоге контролирует его активность.

Фосфореле

Некоторые гистидинкиназы представляют собой гибриды, содержащие внутренний домен-приемник. В этих случаях гибридный HK аутофосфорилирует, а затем переносит фосфорильную группу на свой собственный внутренний домен-приемник, а не на отдельный белок RR. Затем фосфорильная группа перемещается к гистидинфосфотрансферазе (HPT), а затем к концевому RR, который может вызвать желаемый ответ. Эта система называется фосфорелейной. Почти 25% бактериальных HK относятся к гибридному типу, как и подавляющее большинство эукариотических HK.

Функция

Двухкомпонентные системы передачи сигналов позволяют бактериям чувствовать, реагировать и адаптироваться к широкому спектру сред, стрессоров и условий роста. Эти пути были адаптированы для ответа на широкий спектр стимулов, включая питательные вещества, окислительно-восстановительное состояние клеток, изменения осмолярности, сигналы кворума, антибиотики, температуру, хемоаттрактанты, pH и многое другое. Среднее количество двухкомпонентных систем в бактериальном геноме оценивается примерно в 30, или около 1-2% генома прокариот. Некоторые бактерии вообще не имеют их - обычно эндосимбионты и патогены - а другие содержат более 200. Все такие системы должны тщательно регулироваться, чтобы предотвратить перекрестные помехи, что редко встречается в естественных условиях.

В кишечной палочке, в осморегуляторно EnvZ / OmpR двухкомпонентной системы управления дифференциальным выражение из наружной мембраны пориновых белков OmpF и ОМРС. Белки сенсорной киназы KdpD регулируют оперон kdpFABC, ответственный за транспорт калия в бактериях, включая E. coli и Clostridium acetobutylicum. N-концевой домен этого белка образует часть цитоплазматической области белка, которая может быть сенсорным доменом, ответственным за определение тургорного давления.

Гистидинкиназы

Сигнальные трансдукторы гистидинкиназы являются ключевыми элементами в двухкомпонентных системах сигнальной трансдукции. Примерами гистидинкиназ являются EnvZ, который играет центральную роль в осморегуляции, и CheA, который играет центральную роль в системе хемотаксиса. Гистидинкиназы обычно имеют N-концевой лиганд- связывающий домен и C-концевой киназный домен, но могут присутствовать и другие домены. Киназный домен отвечает за аутофосфорилирование гистидина с помощью АТФ, фосфотрансфер от киназы к аспартату регулятора ответа и (с бифункциональными ферментами) фосфотрансфер от аспартилфосфата к воде. Ядро киназы имеет уникальную складку, отличную от складки киназ суперсемейства Ser / Thr / Tyr.

HK можно условно разделить на два класса: ортодоксальные и гибридные киназы. Большинство ортодоксальных HK, типичным примером которых является белок EnvZ E. coli, функционируют как рецепторы периплазматической мембраны и имеют сигнальный пептид и трансмембранный сегмент (ы), которые разделяют белок на периплазматический N-концевой сенсорный домен и высококонсервативную цитоплазматическую C-концевую киназу. основной. Однако члены этого семейства имеют встроенный мембранный сенсорный домен. Не все ортодоксальные киназы связаны с мембраной, например, азот- регуляторная киназа NtrB (GlnL) представляет собой растворимую цитоплазматическую HK. Гибридные киназы содержат несколько 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 с экологической нишей ; Бактерии, занимающие ниши с частыми колебаниями окружающей среды, обладают большим количеством гистидинкиназ и регуляторов ответа. Новые двухкомпонентные системы могут возникать в результате дупликации генов или латерального переноса генов, и относительные скорости каждого процесса сильно различаются у разных видов бактерий. В большинстве случаев гены-регуляторы ответа расположены в том же опероне, что и их родственная гистидинкиназа; латеральные переносы генов с большей вероятностью сохранят структуру оперона, чем дупликации генов.

У эукариот

Двухкомпонентные системы у эукариот встречаются редко. Они появляются в дрожжах, нитчатых грибах и слизистых плесени и относительно часто встречаются у растений, но были описаны как «явно отсутствующие» у животных. Двухкомпонентные системы у эукариот, вероятно, происходят из латерального переноса генов, часто из эндосимбиотических органелл, и обычно относятся к типу гибридных киназных фосфорелей. Например, у дрожжей Candida albicans гены, обнаруженные в ядерном геноме, вероятно, произошли от эндосимбиоза и остаются нацеленными на митохондрии. Двухкомпонентные системы хорошо интегрированы в онтогенетические сигнальные пути у растений, но гены, вероятно, произошли от латерального переноса генов из хлоропластов. Примером может служить ген сенсорной киназы хлоропластов (CSK) у Arabidopsis thaliana, полученный из хлоропластов, но теперь интегрированный в ядерный геном. Функция CSK обеспечивает основанную на окислительно-восстановительном потенциале регуляторную систему, которая связывает фотосинтез с экспрессией гена хлоропластов ; это наблюдение было описано как ключевое предсказание гипотезы CoRR, которая стремится объяснить сохранение генов, кодируемых эндосимбиотическими органеллами.

Неясно, почему канонические двухкомпонентные системы редки у эукариот, при этом многие сходные функции были взяты на себя сигнальными системами, основанными на сериновых, треониновых или тирозинкиназах ; Было высказано предположение, что ответственна за это химическая нестабильность фосфоаспартата, и что повышенная стабильность необходима для передачи сигналов в более сложные эукариотические клетки. Примечательно, что перекрестные помехи между сигнальными механизмами очень часто встречаются в сигнальных системах эукариот, но редко в бактериальных двухкомпонентных системах.

Биоинформатика

Из-за сходства последовательностей и структуры оперона многие двухкомпонентные системы, особенно гистидинкиназы, относительно легко идентифицировать с помощью биоинформатического анализа. (Напротив, эукариотические киназы обычно легко идентифицируются, но их нелегко спарить с их субстратами. ) База данных прокариотических двухкомпонентных систем, называемая P2CS, была составлена для документирования и классификации известных примеров, а в некоторых случаях для прогнозирования относительно родственники «орфанной» гистидинкиназы или белков-регуляторов ответа, которые генетически не связаны с партнером.

использованная литература

внешние ссылки

http://www.p2cs.org : База данных прокариотических 2-компонентных систем

Эта статья включает текст из общественного достояния Pfam и InterPro : IPR011712 Эта статья включает текст из общественного достояния Pfam и InterPro : IPR010559 Эта статья включает текст из общественного достояния Pfam и InterPro : IPR003661 Эта статья включает текст из общественного достояния Pfam и InterPro : IPR011495 Эта статья включает текст из общественного достояния Pfam и InterPro : IPR004105 Эта статья включает текст из общественного достояния Pfam и InterPro : IPR011126 Эта статья включает текст из общественного достояния Pfam и InterPro : IPR003852