Fosfát (Pho) Regulon - Phosphate (Pho) Regulon

Obrázek 1. Schéma znázorňující regulaci anorganického fosfátu v buněčném systému.

The Fosfát (Pho) regulon je bakteriální regulační mechanismus používaný k ochraně a řízení anorganických látek fosfát v rámci buňka. Poprvé byl objeven v Escherichia coli jako operační systém pro bakteriální kmen a později byl identifikován u jiných druhů.[1] Systém Pho se skládá z různých komponent včetně extracelulárních enzymy a transportéry které jsou schopné asimilace fosfátů kromě extrakce anorganického fosfátu z organických zdrojů.[2] Toto je zásadní proces, protože fosfát hraje důležitou roli v buněčných membránách, genetický výraz, a metabolismus uvnitř buňky. Při nízké dostupnosti živin regulon Pho pomáhá buňce přežít a prospívat navzdory vyčerpání fosfátu v prostředí. Když k tomu dojde, indukovatelné hladem fosfátů (psi) geny aktivují další proteiny, které napomáhají transportu anorganického fosfátu.[3]

Funkce

Regulon Pho se skládá ze dvou hlavních komponent včetně a histidinkináza senzorový protein (PhoR) uvnitř vnitřní membrány a regulátor transkripční odezvy (PhoB / PhoR) na cytoplazmatické straně membrány.[2] Tyto proteiny se vážou na upstream promotory v pho regulonu, aby vyvolaly obecnou změnu genová transkripce. K tomu dochází, když buňka detekuje nízké koncentrace fosfátu ve svém vnitřním prostředí, což způsobí, že regulátor odezvy bude fosforylován, což způsobí celkový pokles genové transkripce. Tento mechanismus je uvnitř všudypřítomný gram -pozitivní, gramnegativní, sinice, droždí, a archaea.[3]

Cesta přenosu signálu

U většiny je pro aktivaci regulonu Pho vyžadováno vyčerpání anorganického fosfátu v buňce prokaryoty. V nejčastěji studované bakterii E-coli, sedm celkových proteinů se používá k detekci intracelulárních hladin anorganického fosfátu spolu s vhodnou transfuzí tohoto signálu.[2] Ze sedmi proteinů je jedním protein vázající kov (PhoU) a čtyři jsou fosfátově specifické transportéry (Pst S, Pst C, Pst A a Pst B). Regulátor transkripční odezvy PhoR aktivuje PhoB, když detekuje nízké intracelulární hladiny anorganických fosfátů.

Alternativní použití fosfátů

Přestože se v systému Pho Regulon primárně používá anorganický fosfát, existuje několik druhů bakterií, které mohou využívat různé formy fosfátu. Jeden příklad je uveden v E-coli které mohou používat jak anorganické, tak organické fosfáty, stejně jako přirozeně se vyskytující nebo syntetické fosfáty (Phn).[3] Několik enzymů rozkládá sloučeniny alternativních fosfátů, což umožňuje organismu využívat fosfát prostřednictvím CP lyáza cesta.[3] Jiné druhy bakterií mají rádi Pseudomonas aeruginosa a Salmonella typhimurium použít jinou cestu nazývanou fosfonatázová cesta, zatímco bakterie Enterobacter aerogenes může použít kteroukoli z cest ke štěpení vazby CP nalezené v alternativních fosfátech.[3]

Ochrana mezi bakteriálními druhy

Ačkoli systém regulonu Pho je nejvíce studován v Escherichia coli nachází se v jiných bakteriálních druzích, jako je Pseudomonas fluorescens a Bacillus subtilis. v Pseudomonas fluorescens, regulátor transkripční odezvy (PhoB / PhoR) si zachovává stejnou funkci, ve které hraje E-coli.[4] Bacillus subtilis také sdílí některé podobnosti při setkání s nízkými koncentracemi intracelulárního fosfátu. Za podmínek nedostatku fosfátů B. subtilis váže svůj regulátor transkripce, PhoP a histidinkinázu, PhoR na gen Pho-regulon, který indukuje produkci kyseliny teichuronové.[5] Kromě toho nedávné studie naznačují kritickou roli, kterou hraje kyselina techoová v buněčné stěně B. subtilis, působením jako rezervoár fosfátů a uchováváním potřebného množství anorganického fosfátu v podmínkách nedostatku fosfátů.[6]

Účinek Pho Regulon na patogenezi

Protože bakterie používají regulon Pho k udržení homeostázy Pi, má další účinek v tom, že se používá ke kontrole jiných genů. Mnoho dalších genů aktivovaných nebo potlačovaných regulonem Pho způsobuje virulenci v bakteriálních patogenech. Tři způsoby, jak toto pravidlo ovlivňuje virulenci a patogenitu, jsou produkce toxinů, tvorba biofilmu a tolerance vůči kyselinám.[2]

Produkce toxinů

Pseudomonas aeruginosa je známý oportunistický patogen.[2] Jedním z jejích faktorů virulence je schopnost produkovat pyocyanin, toxin uvolněný zabíjet mikroby i savčí buňky. Produkce pyocyaninu nastává, když je aktivována PhoB.[2] To z toho vyplývá P. aeruginosa používá nízké Pi jako signál, že hostitel byl poškozen, a k zahájení produkce toxinu, aby zlepšil šance na jeho přežití.

Na rozdíl od P. aeruginosa, Vibrio cholera má své toxinové geny potlačované PhoB. Předpokládá se, že PhoB v V. cholera se aktivuje, když je Pi nízké, aby se zabránilo tvorbě toxinů.[7] Může být aktivován jinými signály v prostředí,[7] ale bylo prokázáno, že PhoB přímo inhibuje produkci toxinů vazbou na tcpPH promotor a zastavení aktivace regulonu ToxR.[7] Důkaz podporující Pi jako signál je dán tím, jak není regulon potlačen za vysokých podmínek Pi. Regulační kaskáda je potlačena pouze za podmínek nízké Pi.[2]

Tvorba biofilmu

Biofilmy jsou směsí mikroorganismů, vrstvených dohromady a obvykle ulpívajících na povrchu. Mezi výhody biofilmu patří odolnost vůči vlivům prostředí, antibiotikům a schopnost snadněji získávat živiny.[2] PhoB se používá ke zvýšení tvorby biofilmu v prostředích, kde Pi není dostatečně zásobený. To se ukázalo u několika mikrobů včetně Pseudomonas, V. cholera, a E-coli.[4] To není vždy účinek regulonu Pho, protože u jiných druhů v různých prostředích je výhodnější nebýt v biofilmu, když je Pi nízký. V těchto případech PhoB potlačuje tvorbu biofilmu.[2]

Kyselinová tolerance

E-coli má protein na ochranu jiných periplazmatických proteinů před prostředím s nízkým pH, který se nazývá Asr protein. Gen zodpovědný za tento protein je závislý na PhoB a lze jej zapnout, pouze když je regulon Pho aktivován nízkou koncentrací Pi.[8] Syntéza proteinu Asr dodává odolnost proti kyselým šokům E-coli což mu umožňuje přežít v prostředí, jako je žaludek, který má nízké pH.[2] Mnoho genů tolerujících kyselinu je indukováno více než jen prostředím s nízkým pH a vyžaduje, aby byly přítomny další signály prostředí, aby mohly být aktivovány. Tyto specifické živiny jsou přítomny nebo v nízkých koncentracích, anaerobióza a faktory produkované hostitelem.[8]

Reference

  1. ^ Wanner, B.L .; Chang, B. D. (prosinec 1987). „Operon phoBR v Escherichia coli K-12“. Journal of Bacteriology. 169 (12): 5569–5574. doi:10.1128 / jb.169.12.5569-5574.1987. ISSN  0021-9193. PMC  213987. PMID  2824439.
  2. ^ A b C d E F G h i j Santos-Beneit, Fernando (2015-04-30). „Regulon Pho: obrovská regulační síť v bakteriích“. Hranice v mikrobiologii. 6: 402. doi:10.3389 / fmicb.2015.00402. ISSN  1664-302X. PMC  4415409. PMID  25983732.
  3. ^ A b C d E Vershinina, O. A .; Znamenskaya, L. V. (2002). „Pho Regulons of Bacteria“. Mikrobiologie. 71 (5): 497–511. doi:10.1023 / a: 1020547616096. ISSN  0026-2617.
  4. ^ A b Monds, Russell D .; Newell, Peter D .; Schwartzman, Julia A .; O'Toole, George A. (2006-03-01). "Zachování Pho regulon u Pseudomonas fluorescens Pf0-1". Aplikovaná a environmentální mikrobiologie. 72 (3): 1910–1924. doi:10.1128 / AEM.72.3.1910-1924.2006. ISSN  0099-2240. PMC  1393216. PMID  16517638.
  5. ^ Liu, Wei; Hulett, F. Marion (1998). „Porovnáním vazby PhoP na promotor tuaA s vazbou PhoP na jiné promotory Pho-regulon se stanoví vazebné místo pro jádro Bacillus subtilis Pho“. Mikrobiologie. 144 (5): 1443–1450. doi:10.1099/00221287-144-5-1443. ISSN  1350-0872. PMID  9611818. S2CID  7062262.
  6. ^ Bhavsar, Amit P .; Erdman, Laura K .; Schertzer, Jeffrey W .; Brown, Eric D. (01.12.2004). „Kyselina teichoová je základním polymerem v Bacillus subtilis, který je funkčně odlišný od kyseliny teichuronové“. Journal of Bacteriology. 186 (23): 7865–7873. doi:10.1128 / JB.186.23.7865-7873.2004. ISSN  0021-9193. PMC  529093. PMID  15547257.
  7. ^ A b C Pratt, Jason T .; Ismail, Ayman M .; Camilli, Andrew (září 2010). „PhoB reguluje expresi genů v prostředí i virulenci u Vibrio cholerae“. Molekulární mikrobiologie. 77 (6): 1595–1605. doi:10.1111 / j.1365-2958.2010.07310.x. ISSN  0950-382X. PMC  2981138. PMID  20659293.
  8. ^ A b Sužiedėlienė, Edita; Sužiedėlis, Kęstutis; Garbenčiūtė, Vaida; Normark, Staffan (duben 1999). „Acid-Inducible asr Gene in Escherichia coli: Transcriptional Control by the phoBR Operon“. Journal of Bacteriology. 181 (7): 2084–2093. doi:10.1128 / JB.181.7.2084-2093.1999. ISSN  0021-9193. PMC  93620. PMID  10094685.