Dvousložkový regulační systém - Two-component regulatory system

Histidinkináza
Identifikátory
SymbolHis_kinase
PfamPF06580
InterProIPR016380
OPM nadčeleď281
OPM protein5iji
Jeho doména kinázy A (fosfoakceptor)
PDB 1joy EBI.jpg
vyřešená struktura homodimerní domény EnvZ z Escherichia coli vícerozměrnou NMR.
Identifikátory
SymbolHisKA
PfamPF00512
Pfam klanCL0025
InterProIPR003661
CHYTRÝHisKA
SCOP21b3q / Rozsah / SUPFAM
Histidinkináza
Identifikátory
SymbolHisKA_2
PfamPF07568
Pfam klanCL0025
InterProIPR011495
Histidinkináza
Identifikátory
SymbolHisKA_3
PfamPF07730
Pfam klanCL0025
InterProIPR011712
Signál transdukující histidinkinázu, homodimerní doména
PDB 1i5d EBI.jpg
struktura CheA domény p4 v komplexu s TNP-ATP
Identifikátory
SymbolH-kinase_dim
PfamPF02895
InterProIPR004105
SCOP21b3q / Rozsah / SUPFAM
Terminál histidinkinázy N
Identifikátory
SymbolHisK_N
PfamPF09385
InterProIPR018984
Osmosenzitivní K.+ kanál doména jeho kinázového senzoru
Identifikátory
SymbolKdpD
PfamPF02702
InterProIPR003852

V oblasti molekulární biologie, a dvousložkový regulační systém slouží jako základní mechanismus vazby stimul-odezva, který umožňuje organismům vnímat a reagovat na změny v mnoha různých podmínkách prostředí.[1] Dvousložkové systémy se obvykle skládají z membránově vázaných histidinkináza který snímá specifický stimul prostředí a odpovídající regulátor odezvy který zprostředkovává buněčnou odpověď, většinou prostřednictvím diferenciální exprese cílových genů.[2] Ačkoli se dvousložkové signalizační systémy vyskytují ve všech oblasti života, jsou nejběžnější zdaleka v bakterie, zejména v Gramnegativní a sinice; histidinkinázy i regulátory odezvy patří mezi největší genové rodiny v bakteriích.[3] Jsou mnohem méně časté v archaea a eukaryoty; ačkoli oni se objeví v droždí, vláknité houby, a slizové formy, a jsou běžné v rostliny,[1] dvousložkové systémy byly popsány jako „nápadně nepřítomné“ zvířata.[3]

Mechanismus

Dvousložkové systémy splňují signální transdukce skrz fosforylace a regulátor odezvy (RR) podle a histidinkináza (HK). Typicky jsou to histidinkinázy homodimerní transmembránové proteiny obsahující histidinový fosfotransfer doména a ATP vazebnou doménu, i když jsou uvedeny příklady histidinkináz v atypických HWE a HisKA2 rodiny, které nejsou homodimery.[4] Regulátory odezvy se mohou skládat pouze z přijímací domény, ale obvykle jsou to vícedoménové proteiny s přijímací doménou a alespoň jednou efektorovou nebo výstupní doménou, často zapojené do Vazba DNA.[3] Po detekci konkrétní změny v extracelulárním prostředí provede HK autofosforylace reakce, přenos a fosforyl skupina z adenosintrifosfát (ATP) na konkrétní histidin zbytek. Příbuzní regulátor odezvy (RR) pak katalyzuje přenos fosforylové skupiny na aspartát zbytky na přijímači regulátoru odezvy doména.[5][6] To obvykle spouští a konformační změna který aktivuje efektorovou doménu RR, která zase produkuje buněčnou odezvu na signál, obvykle stimulací (nebo potlačováním) výraz cíle geny.[3]

Mnoho HK je bifunkčních a vlastní fosfatáza aktivitu proti jejich příbuzným regulátorům odezvy, takže jejich signalizační výstup odráží rovnováhu mezi jejich kinázovými a fosfatázovými aktivitami. Mnoho regulátorů odezvy také auto-defosforyluje,[7] a relativně labilní fosfoaspartát lze také hydrolyzovat neenzymaticky.[1] Celková úroveň fosforylace regulátoru odezvy nakonec řídí jeho činnost.[1][8]

Phosphorelays

Některé histidinkinázy jsou hybridy, které obsahují vnitřní doménu přijímače. V těchto případech hybridní HK autofosforyluje a poté přenáší fosforylovou skupinu do své vlastní vnitřní přijímací domény, spíše než do samostatného RR proteinu. Fosforylová skupina se poté převede na histidin fosfotransferáza (HPT) a následně do terminálu RR, který může vyvolat požadovanou odpověď.[9][10] Tento systém se nazývá a fosforelay. Téměř 25% bakteriálních HK je hybridního typu, stejně jako velká většina eukaryotických HK.[3]

Funkce

Dvousložkový signální transdukce systémy umožňují bakterie vnímat, reagovat a přizpůsobovat se širokému spektru prostředí, stresorům a růst podmínky.[11] Tyto cesty byly upraveny tak, aby reagovaly na širokou škálu podnětů, včetně živiny, buněčný redox stav, změny v osmolarita, signály kvora, antibiotika, teplota, chemoatraktanty, pH a více.[12][13] Průměrný počet dvousložkových systémů v bakterii genom byla odhadnuta na zhruba 30,[14] nebo asi 1–2% prokaryotového genomu.[15] Několik bakterií vůbec žádné nemá - obvykle endosymbionty a patogeny - a jiné obsahují přes 200.[16][17] Všechny tyto systémy musí být blízké regulované zabránit vzájemnému rozhovoru, což je vzácné in vivo.[18]

v Escherichia coli, osmoregulační Dvousložkový systém EnvZ / OmpR ovládá diferenciální výraz vnější membrána porin proteiny OmpF a OmpC.[19] Proteiny kinázy senzoru KdpD regulují kdpFABC operon zodpovědný za draslík transport v bakteriích včetně E-coli a Clostridium acetobutylicum.[20] N-terminální doména tohoto proteinu tvoří část cytoplazmatické oblasti proteinu, což může být senzorová doména odpovědná za snímání turgor tlak.[21]

Histidinkinázy

Transdukce signálu histidinkinázy jsou klíčové prvky ve dvousložkových systémech přenosu signálu.[22][23] Příklady histidinkináz jsou EnvZ, který hraje ústřední roli v osmoregulace,[24] a CheA, která hraje ústřední roli v EU chemotaxe Systém.[25] Histidinkinázy obvykle mají N-terminál ligand -vázací doména a C-terminál kinázová doména, ale jiná domén mohou být také přítomny. Kinázová doména je zodpovědná za autofosforylaci histidinu s ATP, fosfotransferem z kinázy na aspartát regulátoru odezvy a (s bifunkčními enzymy) fosfotransfer z aspartyl fosfát voda.[26] Kinázové jádro má jedinečný záhyb, odlišný od jádra kinázy Ser / Thr / Tyr nadčeleď.

HK lze zhruba rozdělit do dvou tříd: ortodoxní a hybridní kinázy.[27][28] Většina ortodoxních HK, jejichž typem je E-coli EnvZ protein, funkce jako periplazmatický membránové receptory a mají a signální peptid a transmembránový segment (segmenty), které oddělují protein na periplazmatickou N-koncovou snímací doménu a vysoce konzervativní cytoplazmatický C-terminální kinázové jádro. Členové této rodiny však mají integrovanou doménu membránového senzoru. Ne všechny ortodoxní kinázy jsou membrána vázaný, např dusík regulační kináza NtrB (GlnL) je rozpustná cytoplazmatický HK.[6] Hybridní kinázy obsahují více fosfodonorových a fosfoakceptorových míst a místo podpory jediného fosforylového přenosu používají vícestupňová fosfo-reléová schémata. Kromě domény senzoru a kinázového jádra obsahují doménu přijímače podobnou CheY a doménu fosfotransferu (HPt) obsahujícího His.

Vývoj

Počet dvousložkových systémů přítomných v bakteriálním genomu také vysoce koreluje s velikostí genomu ekologický výklenek; bakterie, které zaujímají výklenky s častými výkyvy prostředí, mají více histidinkináz a regulátorů odezvy.[3][29] Nové dvousložkové systémy mohou vzniknout do genová duplikace nebo laterální genový přenos a relativní rychlosti každého procesu se dramaticky liší mezi bakteriálními druhy.[30] Ve většině případů jsou geny regulátoru odezvy umístěny stejně operon jako jejich příbuzná histidinkináza;[3] laterální přenosy genů pravděpodobněji zachovají operonovou strukturu než duplikace genů.[30]

U eukaryot

Dvousložkové systémy jsou vzácné eukaryoty. Objevují se v droždí, vláknité houby, a slizové formy, a jsou relativně běžné v rostliny, ale byly popsány jako „nápadně nepřítomné“ v zvířata.[3] Dvousložkové systémy v eukaryotech pravděpodobně pocházejí laterální genový přenos, často od endosymbiotikum organely a jsou typicky typu hybridní kinázové fosforolay.[3] Například v droždí Candida albicans geny nalezené v jaderném genomu pravděpodobně pocházely z endosymbióza a zůstanou zaměřeny na mitochondrie.[31] Dvousložkové systémy jsou dobře integrovány do vývojových signálních drah v rostlinách, ale geny pravděpodobně pocházejí z nich laterální genový přenos z chloroplasty.[3] Příkladem je kináza senzoru chloroplastů (CSK) gen v Arabidopsis thaliana, odvozené od chloroplastů, ale nyní integrované do jaderného genomu. Funkce CSK poskytuje a redox regulační systém založený na párech fotosyntéza na chloroplast genová exprese; toto pozorování bylo popsáno jako klíčová předpověď Hypotéza VR, jehož cílem je vysvětlit retenci genů kódovaných endosymbiotickými organely.[32][33]

Není jasné, proč jsou kanonické dvousložkové systémy u eukaryot vzácné, přičemž mnoho podobných funkcí převzaly signalizační systémy založené na serin, threonin nebo tyrosin kinázy; spekulovalo se, že je zodpovědná chemická nestabilita fosfoaspartátu a že je zapotřebí zvýšené stability k přenosu signálů ve složitějších eukaryotických buňkách.[3] Pozoruhodné je, že vzájemná komunikace mezi signalizačními mechanismy je v eukaryotických signalizačních systémech velmi běžná, ale v bakteriálních dvousložkových systémech vzácná.[34]

Bioinformatika

Kvůli jejich sekvenční podobnost a operon struktura, dvousložkové systémy - zejména histidinkinázy - lze relativně snadno identifikovat bioinformatika analýza. (Naproti tomu eukaryotické kinázy jsou obvykle snadno identifikovatelné, ale nelze je snadno spárovat s jejich substráty.)[3] A databáze prokaryotických dvousložkových systémů zvaných P2CS byl sestaven tak, aby dokumentoval a klasifikoval známé příklady a v některých případech vytvářel předpovědi o příbuzných „osiřelých“ histidinkinázách nebo proteinech regulátoru odezvy, které nejsou geneticky vázány na partnera.[35][36]

Reference

  1. ^ A b C d Sklad AM, Robinson VL, Goudreau PN (2000). "Dvousložková signální transdukce". Roční přehled biochemie. 69 (1): 183–215. doi:10.1146 / annurev.biochem.69.1.183. PMID  10966457.
  2. ^ Mascher T, Helmann JD, Unden G (prosinec 2006). "Vnímání stimulů v bakteriálních signálních transdukčních histidinkinázách". Recenze mikrobiologie a molekulární biologie. 70 (4): 910–38. doi:10.1128 / MMBR.00020-06. PMC  1698512. PMID  17158704.
  3. ^ A b C d E F G h i j k l Capra EJ, Laub MT (2012). „Vývoj dvousložkových systémů přenosu signálu“. Výroční přehled mikrobiologie. 66: 325–47. doi:10.1146 / annurev-micro-092611-150039. PMC  4097194. PMID  22746333.
  4. ^ Herrou, J; Crosson, S; Fiebig, A (únor 2017). "Struktura a funkce histidin kináz ze senzoru rodiny HWE / HisKA2". Curr. Opin. Microbiol. 36: 47–54. doi:10.1016 / j.mib.2017.01.008. PMC  5534388. PMID  28193573.
  5. ^ Sanders DA, Gillece-Castro BL, Stock AM, Burlingame AL, Koshland DE (prosinec 1989). "Identifikace místa fosforylace proteinu regulátoru odezvy na chemotaxi, CheY". The Journal of Biological Chemistry. 264 (36): 21770–8. PMID  2689446.
  6. ^ A b Sanders DA, Gillece-Castro BL, Burlingame AL, Koshland DE (srpen 1992). „Fosforylační místo NtrC, proteinové fosfatázy, jejíž kovalentní meziprodukt aktivuje transkripci“. Journal of Bacteriology. 174 (15): 5117–22. doi:10.1128 / jb.174.15.5117-5122.1992. PMC  206329. PMID  1321122.
  7. ^ West AH, Stock AM (červen 2001). "Histidinkinázy a proteiny regulátoru odezvy ve dvousložkových signalizačních systémech". Trendy v biochemických vědách. 26 (6): 369–76. doi:10.1016 / s0968-0004 (01) 01852-7. PMID  11406410.
  8. ^ Stock JB, Ninfa AJ, Stock AM (prosinec 1989). „Fosforylace proteinů a regulace adaptivních odpovědí v bakteriích“. Mikrobiologické recenze. 53 (4): 450–90. doi:10.1128 / MMBR.53.4.450-490.1989. PMC  372749. PMID  2556636.
  9. ^ Varughese KI (duben 2002). "Molekulární rozpoznávání bakteriálních fosfororelačních proteinů". Současný názor v mikrobiologii. 5 (2): 142–8. doi:10.1016 / S1369-5274 (02) 00305-3. PMID  11934609.
  10. ^ Hoch JA, Varughese KI (září 2001). „Udržování signálů rovných v přenosu signálu fosforelayem“. Journal of Bacteriology. 183 (17): 4941–9. doi:10.1128 / jb.183.17.4941-4949.2001. PMC  95367. PMID  11489844.
  11. ^ Skerker JM, Prasol MS, Perchuk BS, Biondi EG, Laub MT (říjen 2005). „Dvousložkové signální transdukční cesty regulující růst a progresi buněčného cyklu v bakterii: analýza na úrovni systému“. PLOS Biology. 3 (10): e334. doi:10.1371 / journal.pbio.0030334. PMC  1233412. PMID  16176121.
  12. ^ Wolanin PM, Thomason PA, Stock JB (září 2002). „Histidinové proteinové kinázy: klíčové převodníky signálu mimo zvířecí říši“. Genome Biology. 3 (10): RECENZE3013. doi:10.1186 / gb-2002-3-10-reviews3013. PMC  244915. PMID  12372152.
  13. ^ Attwood PV, Piggott MJ, Zu XL, Besant PG (leden 2007). "Zaměření na fosfohistidin". Aminokyseliny. 32 (1): 145–56. doi:10.1007 / s00726-006-0443-6. PMID  17103118. S2CID  6912202.
  14. ^ Schaller, GE; Shiu, SH; Armitage, JP (10. května 2011). "Dvousložkové systémy a jejich možnost volby pro eukaryotickou signální transdukci". Aktuální biologie. 21 (9): R320–30. doi:10.1016 / j.cub.2011.02.045. PMID  21549954. S2CID  18423129.
  15. ^ Salvado, B; Vilaprinyo, E; Sorribas, A; Alves, R (2015). „Průzkum domén HK, HPt a RR a jejich organizace ve dvousložkových systémech a fosfororelačních proteinech organismů s plně sekvenovanými genomy“. PeerJ. 3: e1183. doi:10,7717 / peerj.1183. PMC  4558063. PMID  26339559.
  16. ^ Wuichet, K; Cantwell, BJ; Zhulin, IB (duben 2010). „Evoluce a fyletická distribuce dvousložkových systémů přenosu signálu“. Současný názor v mikrobiologii. 13 (2): 219–25. doi:10.1016 / j.mib.2009.12.011. PMC  3391504. PMID  20133179.
  17. ^ Shi, X; Wegener-Feldbrügge, S; Huntley, S; Hamann, N; Hedderich, R; Søgaard-Andersen, L (leden 2008). "Bioinformatika a experimentální analýza proteinů dvousložkových systémů v Myxococcus xanthus". Journal of Bacteriology. 190 (2): 613–24. doi:10.1128 / jb.01502-07. PMC  2223698. PMID  17993514.
  18. ^ Laub MT, Goulian M (2007). "Specifičnost v dvousložkových drahách přenosu signálu". Výroční přehled genetiky. 41: 121–45. doi:10.1146 / annurev.genet.41.042007.170548. PMID  18076326.
  19. ^ Buckler DR, Anand GS, Stock AM (duben 2000). „Fosforylace a aktivace regulátoru odezvy: obousměrná ulice?“. Trendy v mikrobiologii. 8 (4): 153–6. doi:10.1016 / S0966-842X (00) 01707-8. PMID  10754569.
  20. ^ Treuner-Lange A, Kuhn A, Dürre P (červenec 1997). „Systém kdp Clostridium acetobutylicum: klonování, sekvenování a regulace transkripce v reakci na koncentraci draslíku“. Journal of Bacteriology. 179 (14): 4501–12. doi:10.1128 / jb.179.14.4501-4512.1997. PMC  179285. PMID  9226259.
  21. ^ Walderhaug MO, Polarek JW, Voelkner P, Daniel JM, Hesse JE, Altendorf K, Epstein W (duben 1992). „KdpD a KdpE, proteiny, které kontrolují expresi operonu kdpABC, jsou členy dvousložkové třídy regulátorů senzor-efektor“. Journal of Bacteriology. 174 (7): 2152–9. doi:10.1128 / jb.174.7.2152-2159.1992. PMC  205833. PMID  1532388.
  22. ^ Perego M, Hoch JA (březen 1996). „Protein aspartát fosfatázy řídí výstup dvousložkových systémů přenosu signálu“. Trendy v genetice. 12 (3): 97–101. doi:10.1016 / 0168-9525 (96) 81420-X. PMID  8868347.
  23. ^ West AH, Stock AM (červen 2001). "Histidinkinázy a proteiny regulátoru odezvy ve dvousložkových signalizačních systémech". Trendy v biochemických vědách. 26 (6): 369–76. doi:10.1016 / S0968-0004 (01) 01852-7. PMID  11406410.
  24. ^ Tomomori C, Tanaka T, Dutta R, Park H, Saha SK, Zhu Y, Ishima R, Liu D, Tong KI, Kurokawa H, Qian H, Inouye M, Ikura M (srpen 1999). "Struktura řešení homodimerní základní domény Escherichia coli histidinkinázy EnvZ". Přírodní strukturní biologie. 6 (8): 729–34. doi:10.1038/11495. PMID  10426948. S2CID  23334643.
  25. ^ Bilwes AM, Alex LA, Crane BR, Simon MI (leden 1999). "Struktura CheA, signální transdukční histidinkinázy". Buňka. 96 (1): 131–41. doi:10.1016 / S0092-8674 (00) 80966-6. PMID  9989504. S2CID  16842653.
  26. ^ Vierstra RD, Davis SJ (prosinec 2000). „Bacteriophytochromes: new tools for understand phytochrome signal transduction“. Semináře z buněčné a vývojové biologie. 11 (6): 511–21. doi:10.1006 / scdb.2000.0206. PMID  11145881.
  27. ^ Alex LA, Simon MI (duben 1994). „Proteinové histidinkinázy a signální transdukce u prokaryot a eukaryot“. Trendy v genetice. 10 (4): 133–8. doi:10.1016/0168-9525(94)90215-1. PMID  8029829.
  28. ^ Parkinson JS, Kofoid EC (1992). "Komunikační moduly v bakteriálních signálních proteinech". Výroční přehled genetiky. 26: 71–112. doi:10.1146 / annurev.ge.26.120192.000443. PMID  1482126.
  29. ^ Galperin MY (červen 2006). „Strukturální klasifikace regulátorů bakteriální reakce: rozmanitost výstupních domén a doménových kombinací“. Journal of Bacteriology. 188 (12): 4169–82. doi:10.1128 / JB.01887-05. PMC  1482966. PMID  16740923.
  30. ^ A b Alm E, Huang K, Arkin A (listopad 2006). „Vývoj dvousložkových systémů v bakteriích odhaluje různé strategie pro přizpůsobení výklenku“. PLOS výpočetní biologie. 2 (11): e143. doi:10.1371 / journal.pcbi.0020143. PMC  1630713. PMID  17083272.
  31. ^ Mavrianos J, Berkow EL, Desai C, Pandey A, Batish M, Rabadi MJ, Barker KS, Pain D, Rogers PD, Eugenin EA, Chauhan N (červen 2013). „Mitochondriální dvousložkové signalizační systémy u Candida albicans“. Eukaryotická buňka. 12 (6): 913–22. doi:10.1128 / EC.00048-13. PMC  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 (červenec 2008). „Kináza předků symbiontového senzoru CSK spojuje fotosyntézu s genovou expresí v chloroplastech“. Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 105 (29): 10061–6. doi:10.1073 / pnas.0803928105. PMC  2474565. PMID  18632566.
  33. ^ Allen JF (srpen 2015). „Proč si chloroplasty a mitochondrie zachovávají své vlastní genomy a genetické systémy: Kolokace pro redoxní regulaci genové exprese“. Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 112 (33): 10231–8. doi:10.1073 / pnas.1500012112. PMC  4547249. PMID  26286985.
  34. ^ Rowland MA, Deeds EJ (duben 2014). „Přeslech a vývoj specificity ve dvousložkové signalizaci“. Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 111 (15): 5550–5. doi:10.1073 / pnas.1317178111. PMC  3992699. PMID  24706803.
  35. ^ Barakat M, Ortet P, Whitworth DE (leden 2011). „P2CS: databáze prokaryotických dvousložkových systémů“. Výzkum nukleových kyselin. 39 (Problém s databází): D771–6. doi:10.1093 / nar / gkq1023. PMC  3013651. PMID  21051349.
  36. ^ Ortet P, Whitworth DE, Santaella C, Achouak W, Barakat M (leden 2015). „P2CS: aktualizace databáze prokaryotických dvousložkových systémů“. Výzkum nukleových kyselin. 43 (Problém s databází): D536–41. doi:10.1093 / nar / gku968. PMC  4384028. PMID  25324303.

externí odkazy

Tento článek včlení text od public domain Pfam a InterPro: IPR011712
Tento článek včlení text od public domain Pfam a InterPro: IPR010559
Tento článek včlení text od public domain Pfam a InterPro: IPR003661
Tento článek včlení text od public domain Pfam a InterPro: IPR011495
Tento článek včlení text od public domain Pfam a InterPro: IPR004105
Tento článek včlení text od public domain Pfam a InterPro: IPR011126
Tento článek včlení text od public domain Pfam a InterPro: IPR003852