Univerzální stresový protein - Universal stress protein

Univerzální stresový protein A
Struktura proteinu UspA z Lactobacillus plantarum
Struktura proteinu UspA z Lactobacillus plantarum [1]
Identifikátory
Symbollp_3663
PfamPF00582
Pfam klanHUP
InterProIPR006016
SCOP21 mil / Rozsah / SUPFAM

The univerzální stresový protein (USP) doména je nadčeleď z konzervované geny který najdete v bakterie, archaea, houby, prvoky a rostliny.[2] Proteiny obsahující doménu jsou vyvolávány mnoha stresujícími látkami v prostředí, jako je nedostatek živin, sucho, extrémní teploty, vysoká slanost a přítomnost odpojovačů, antibiotik a kovů.[2]

V přítomnosti těchto stresorů Usp geny jsou upregulované, což vede k velkému množství Usp bílkoviny vyrábí společnost buňka. Nadměrná produkce USP geny umožňuje organismy lépe zvládat stresy do značné míry neznámými mechanismy. USP však změní expresi různých genů, které pomáhají zvládat stres.[3]

Funkce

Proteinová struktura univerzálního stresového proteinu nalezená v Haemophylus influenzae [4]

Primární funkcí této nadčeledi je ochrana organismu před stres prostředí jako je expozice UV světlo, což může vyvolat geny obsahující doménu USP za účelem ochrany DNA a obecněji buňku před dalším poškozením.[2] V době bakteriální hladovění geny USP nadměrně regulované často zatknou růst buněk a podporuje jeho metabolismus, aby se přizpůsobil řídkým živiny.[2]

Nedávný výzkum také naznačuje, že proteiny obsahující tuto doménu mají funkce mimo sféry řešení environmentálních stresů.[5] Nachin a kol. předvedeno v Escherichia coli že USP jsou zapojeni do akcí jako např přilnavost a pohyblivost. Vědci prostřednictvím prostředků "vyřazení" USP geny známé jako UspE a UspC, viděl výsledky naznačující neschopnost plavat a zcela nedostatek pohyblivosti. Naopak mutanti pro geny UspF a UspG bylo prokázáno, že mají vylepšené plavecké schopnosti. Mobilita je proto v rámci USP ovlivněna pozitivně i negativně E-coli. To ukazuje, že vliv USP na celou buňku by mohl být rozšířen z mnoha důvodů.

Navíc v Halmonas se prodlužuje, existuje USP s názvem TeaD byl popsán jako klíčový regulátor v EU doprava z Ektoin přes buněčnou membránu.[6] To ukazuje, jak univerzální mohou být USP. Jejich funkce, i když primárně zahrnuje zvyšování přežití ve stresových podmínkách, se ne vždy omezuje na toto.

Vývoj

Všudypřítomná povaha těchto proteinů naznačuje, že doména se vyvinula v rodovém druhu, stejně jako zdůrazňuje jasný biologický význam, který tyto proteiny mají, aby stále existovaly tři domény života. Bylo navrženo, že doména USP A byla součástí staré proteinové rodiny. To je způsobeno podobností struktury mezi mnoha vzdáleně příbuznými organismy.[7] Aravind a kol. tyto myšlenky potvrdil rozsáhlou evoluční analýzou. Aravind navrhl, že tyto proteiny byly součástí mnohem větší proteinové strukturní rodiny, která byla přítomna a diverzifikována v našem posledním univerzálním společném předku po celý život.[7] Původní funkce byla navržena jako nukleotidová vazebná doména, která se podílela na signální transdukci [8]

Struktura

Vzhledem k tomu, že doména USP je rozšířená v mnoha organismech, existuje velká rozmanitost ve strukturách těchto proteinů. Pro Haemophilus influenzae, jeho UspA spočívá v cytoplazmě. Protein tvoří asymetrický dimer s charakteristickými strukturami skládání alfa a beta. Existují rozdíly mezi různými bakteriemi v oblastech, jako jsou ATP vazebná místa.[2] V tomto případě UspA nemá aktivitu vazby ATP. Obecně platí, že USP tvoří dimery a mají domény pro nukleotid vazebná aktivita. Jelikož se však jedná o tak různorodou skupinu, často o přesné struktuře málo známých, není možné jednotlivé USP komentovat. Kromě toho může UspA sídlit v různých oblastech buňky. Například v tomto případě to bylo v cytoplazma ale pro ostatní to může být v buněčná membrána.[9]

Bakterie

Velká část výzkumu USP se provádí konkrétně na bakteriích E-coli (Kmen K-12). V důsledku toho je mnoho známo o doménách USP v bakteriích. v E-coli existuje šest rodin domén USP, které jsou přítomny ve více než 1000 různých proteinech.[10] Šest rodin je Usp A, -C, -D, -E, -F a –G, které jsou vyvolávány odlišnými environmentálními urážkami a často jednají prostřednictvím různých mechanismů.[10]

UspA je nejčastěji studovaným USP kvůli jeho rozšířené přítomnosti v bakteriálních genomech. UspA je zvláště zapojen do odolnosti velkého počtu stresorů, zejména expozice tetracyklinu a vysokým teplotám, s výjimkou toho, že nevytváří reakci na chladový šok. Má se za to, že UspA je obzvláště důležitý pro obnovu E-coli po hladovění živin.[2] Nezdá se, že by UspA během normálních růstových podmínek ovlivňoval genovou expresi. Během stresujících podmínek, jako je například hladovění uhlíkem, se však ukázalo, že UspA má globální vliv na genovou expresi. Navrhovaný mechanismus pro tuto změnu v genová exprese je to, že UspA bylo navrženo vázat se na DNA. Když je UspA mutován, E-coli stává mnohem zranitelnějším poškozením DNA indukovaným UV zářením.[11]Je důležité si uvědomit, že reakce USP jsou nezávislé na mnoha dalších stresových reakcích pozorovaných u bakterií, jako jsou rpoS.[12]

Toto schéma ukazuje obecnou bakteriální reakci na stres prostředí. V tomto případě zobrazuje zvýšené hladiny oxidu dusnatého, který stimuluje Usp genová transkripce. To má za následek antistresovou reakci z buňky, která může nebo nemusí zahrnovat reakce uvedené v diagramu.[13]

Indukce proteinů USP se také podílí na přechodech nejen v metabolismu nebo růstu, ale ve změnách v celém fenotypu kolonií. Bakteriální kolonie mohou vytvářet formace známé jako biofilmy. Zhang a kolegové prokázali, že USP mohou být zapojeni do propagace intertidálních biofilmů.[13] Pozorovali, že za stresových podmínek zahrnujících ionty kovů a oxidační napětí by se vytvořil fenotyp biofilmu. Po analýze těchto biofilmů bylo zřejmé, že existuje značně nadregulovaná hladina UspA, která podle Zhanga může být spojena s indukcí tvorby biofilmu. Předpokládá se, že UspA může být zapojen do signálních procesů, které upregulují geny spojené s produkcí biofilmu.[12] S nálezy, jako jsou tyto, začíná být přijímáno, že USP jednají pomocí extrémně široké škály mechanismů k zajištění přežití buněk.

Nařízení

V bakteriích mohou být geny USP regulovány sigma faktory uvnitř RNA polymerázy. To zahrnuje sigma faktor σ70, který vazbou na jednu promotorovou oblast zvyšuje regulaci transkripce UspA v bakteriích. Geny jsou regulovány monocistronickým způsobem.[14]Navíc jsou UspA, UspC, UspD a UspE nadměrně indukovány během stacionární fáze prostřednictvím regulace RecA. RecA je známá svou účastí na opravě DNA pomocí homologní rekombinace Následující poškození. V důsledku toho se předpokládá, že čtyři geny domény Usp zprostředkovávají správu nebo ochranu DNA.[15] Bez ohledu na mechanismus, který proteiny vykazují, lze uzavřít, že domény USP jsou klíčové pro přežití mnoha bakteriálních druhů. Gomes a kol. zjistil, že UspA delece v Listeria vážně narušené přežití, stejně jako stresová reakce listérie od in vitro a in vivo.[16]

Geny domény USP jsou regulovány řadou zapojených proteinů růst, Oprava DNA a buněčné dělení. Pozoruhodná pozitivní regulace nastává prostřednictvím akce ppGpp, RecA a FtsZ závislé regulační cesty. Geny domény USP jsou také pod negativní kontrolou FadR. [17]

Rostliny

Rostliny obsahují mnoho stovek USP domén a genů. Tyto geny jsou zejména vyvolávány environmentálními stresy, jako jsou sucho. Když nedostatek hydratace dojde k biochemickým změnám vyvolaným působením USP. V reakci na sucho dochází ke snížení fotosyntetický uhlík produkce i snížení v energetický metabolismus.[18] Předpokládá se, že k těmto akcím dochází kvůli jejich důsledkům pro zvýšení úspory energie. Podmínky omezující vodu jsou běžným tlakem prostředí, s nímž se rostliny budou muset pravidelně vyrovnávat, v závislosti na jejich stanovišti. Tyto odolné fenotypy bude mít větší přežití, protože umožní rostlině šetřit energii v době omezené vody, což je klíčové glukóza výroba přes fotosyntéza.[18]

Klinický význam

Tuberkulóza

Mycobacterium tuberculosis, infekční agens odpovědný za Tuberkulóza (TB), přetrvává u odhadovaných dvou miliard lidí. TB je známá svou schopností přechodu do latentního stavu, kdy dochází k pomalému růstu, ale vysoké perzistenci uvnitř savčího hostitele ve strukturách známých jako granulomy.[19] Tyto granulomové struktury jsou tvořeny různými buněčnými materiály a imunitními buňkami. Patří sem makrofágy, neutrofily, celulóza a tuky. Již dlouho se navrhuje, aby USPs hrály významnou roli v přetrvávání TBC v lidském hostiteli. To je způsobeno pozorováním zvýšené Usp geny uvnitř M. tuberculosis ve fázi latentního granulomu infekce.[20]

Uvnitř je osm typů USP M. tuberculosis, které všechny mají doménu vázající ATP. Bylo zjištěno, že uvnitř M. tuberculosis, tyto USP jsou regulovány FtsK a FadR.[21] Jedno nedávné zjištění ukazuje, že indukce USP uvnitř M. tuberculosis vede k vazebné aktivitě USP s intracelulárním cAMP, což má nepřímé důsledky pro transkripci v bakterii.[22]

Některý z M. tuberculosis ' Doporučuje se, aby USP byly vyvolávány hypoxický podmínky nalezené v granulomu. Konkrétně Rv2623, typ USP v M. tuberculosis, je indukován přítomností oxid dusnatý, reaktivní formy kyslíku a podřazení pH. Navrhuje se, aby všechny tyto podmínky vznikly působením makrofágy které zvláště převládají ve strukturách granulomů, které jsou charakteristické pro latentní infekce TBC.[20] Bylo zjištěno, že tyto podmínky upregulují určitý gen USP nazvaný rv2623, jakož i dalších 50 genů zapojených do dlouhodobé perzistence u savčího hostitele. Bylo navrženo, aby tento gen USP byl zapojen do vyvolání latentní reakce uvnitř savčího hostitele. Tato fáze infekce je v současné době chronická bez účinné léčby. Díky tomu jsou tyto druhy nálezů nesmírně cenné.

Rv2623 má ATP vazebnou doménu, která, pokud je vyřazena, vede k hyper-virulentní formě bakterií.[21] Porozumění těmto procesům pomáhá výzkumným pracovníkům v jejich snaze poskytnout účinnou léčbu osobám trpícím TB. Rv2623 je také klíč biomarker napomáhá diagnostickému procesu TB. Tyto USP geny by proto mohly být klíčové pro dlouhodobé přežití bakterií, což znamená, že mohou existovat potenciální terapeutické cesty výzkumu, které by bylo možné prozkoumat při léčbě latentní TB.[23] Přichází v době, kdy TB zabíjí tisíce lidí denně a je stále obtížnější léčit vzestup multirezistentní TB.

Salmonella

Podobně jsou USP klíčové pro přežití Salmonella, původce salmonelózy. v rozvojové země „otrava jídlem tohoto druhu je potenciálně život ohrožující stav. USP mají vliv na zastavení růstu, stresové reakce a virulenci.[24] UspA je indukován metabolické, oxidační a teplota související stres. Za těchto podmínek je UspA produkován prostřednictvím transkripční regulace ppGpp a RecA. Bylo navrženo, aby se tyto reakce podílely na ochraně DNA. Výsledkem je, že UspA pomáhá Salmonella odolávat stresorům produkovaným savci imunitní systém pomoc při přežití, a tedy patogenita.[24] Když je UspA inaktivován u Salmonella, mutanti předčasně umírají, což ukazuje, jak důležité jsou tyto proteiny pro přežití a vytrvalost. Pochopení těchto procesů může opět pomoci vědcům při vývoji účinných léků k léčbě těchto infekcí.[24]

Reference

  1. ^ Tan K a kol. (2008). "Krystalová struktura univerzálního stresového proteinu rodiny UspA z Lactobacillus plantarum WCFS1". Proteinová datová banka. doi:10,2210 / pdb3fg9 / pdb..
  2. ^ A b C d E F Siegele DA a kol. (2005). „Univerzální stresové proteiny v Escherichia coli“. Journal of Bacteriology. 187 (18): 6253–6254. doi:10.1128 / jb.187.18.6253-6254.2005. PMC  1236659. PMID  16159755..
  3. ^ Tkaczuk KL a kol. (2013). „Strukturální a funkční vhled do rodiny univerzálních stresových proteinů“. Evoluční aplikace. 6 (3): 434–449. doi:10.1111 / eva.12057. PMC  3673472. PMID  23745136..
  4. ^ Sousa MC (2001). "Struktura Haemophylus influenzae Universal Stress Protein at 1.85A Resolution". Struktura. 9: 1135–1141. doi:10,2210 / pdb1jmv / pdb..
  5. ^ Nachin L a kol. (2005). „Diferenciální role univerzálních stresových proteinů Escherichia coli v odolnosti proti oxidaci, adhezi a motilitě“. Journal of Bacteriology. 187 (18): 6265–6272. doi:10.1128 / JB.187.18.6265-6272.2005. PMC  1236625. PMID  16159758..
  6. ^ Schweikhard ES a kol. (2010). "Struktura a funkce univerzálního stresového proteinu TeaD a jeho role v regulaci ektoinového transportéru TeaABC z Halomonas elongata DSM 2581 (T)". Biochemie. 49 (10): 2194–2204. doi:10.1021 / bi9017522. PMID  20113006..
  7. ^ A b Aravind L, et al. (2002). "Monofilie třídy I aminoacyl tRNA syntetázy, USPA, ETFP, fotolyázy a domény PP-ATPázy vázající nukleotidy: důsledky pro vývoj proteinu v RNA". Protein. 48 (1): 1–14. doi:10,1002 / prot. 10064. PMID  12012333..
  8. ^ Becker JD (2001). „Nodulin vfENOD18 je protein vázající ATP v infikovaných buňkách uzlíků Vicia faba L.“. Plant Mol Biol. 47 (6): 749–759. doi:10.1023 / A: 1013664311052. PMID  11785936. S2CID  24974722..
  9. ^ Sousa MC (2001). "Struktura univerzálního stresového proteinu Haemophilus influenzae". Bichemické vědy. 9 (12): 1135–1141. doi:10.1016 / s0969-2126 (01) 00680-3. PMID  11738040.
  10. ^ A b Bateman A (2004). „Databáze proteinových rodin Pfam“. Výzkum nukleových kyselin. 32 (90001): 138–141. doi:10.1093 / nar / gkh121. PMC  308855. PMID  14681378.
  11. ^ O'Toole R (2003). "Univerzální stresové proteiny a Mycobacterium tuberculosis". Výzkum v mikrobiologii. 154 (6): 387–392. doi:10.1016 / S0923-2508 (03) 00081-0. PMID  12892844.
  12. ^ A b Gustavsson N (2002). „Univerzální paralogy stresových proteinů Escherichia coli jsou koordinovaně regulovány a spolupracují při obraně proti poškození DNA.“ Molekulární mikrobiologie. 43 (1): 107–117. doi:10.1046 / j.1365-2958.2002.02720.x. PMID  11849540.
  13. ^ A b Zhang W (2013). „Adaptace přílivových společenstev biofilmu je poháněna ionty kovů a oxidačními stresy“. Vědecké zprávy. 3: 3180. Bibcode:2013NatSR ... 3E3180Z. doi:10.1038 / srep03180. PMC  3822395. PMID  24212283.
  14. ^ Kvint K (2013). "Bakteriální univerzální stresový protein: funkce a regulace". Curr Opin Microbiol. 6 (2): 140–145. doi:10.1016 / S1369-5274 (03) 00025-0. PMID  12732303.
  15. ^ Diez A (2002). „Univerzální stresový protein A Escherichia coli je vyžadován pro odolnost vůči látkám poškozujícím DNA a je regulován regulační cestou závislou na RecA / FtsK“. Molekulární mikrobiologie. 36 (6): 1494–1503. doi:10.1046 / j.1365-2958.2000.01979.x. PMID  10931298.
  16. ^ Gomes CS (2011). „Univerzální stresové proteiny jsou důležité pro odolnost proti oxidačnímu a kyselému stresu a pro růst Listeria monocytogenes EGD-e in vitro a in vivo“. PLOS ONE. 6 (9): e24965. Bibcode:2011PLoSO ... 624965S. doi:10,1371 / journal.pone.0024965. PMC  3184099. PMID  21980369.
  17. ^ "Univerzální stresový protein A". www.uniprot.org. Uniprot. 2015-03-25. Citováno 2015-03-25.
  18. ^ A b Isokpehi RD (2011). „Identifikace univerzálních stresových proteinů reagujících na sucho ve viridiplantách“. bioinform Biol Insights. 5: 41–58. doi:10,4137 / BBI.S6061. PMC  3045048. PMID  21423406.
  19. ^ Ramakrishnan L (2012). "Přehodnocení role granulomu při tuberkulóze". Recenze přírody. 12 (5): 352–366. doi:10.1038 / nri3211. PMID  22517424. S2CID  1139969.
  20. ^ A b O'Toole R (2003). "Univerzální stresové proteiny a Mycobacterium tuberculosis". Výzkum v mikrobiologii. 154 (6): 387–392. doi:10.1016 / S0923-2508 (03) 00081-0. PMID  12892844.
  21. ^ A b Drumm JE (2009). „Univerzální stresový protein Mycobacterium tuberculosis Rv2623 reguluje bacilární růst vazbou ATP: požadavek na vznik chronické perzistentní infekce“. PLoS Pathog. 5 (5): e1000460. doi:10.1371 / journal.ppat.1000460. PMC  2682197. PMID  19478878.
  22. ^ Banerjee A (2015). „Univerzální stresový protein (USP) v mykobakteriích váže cAMP“. The Journal of Biological Chemistry. 12 (20): 1–28. doi:10,1074 / jbc.M115.644856. PMC  4432290. PMID  25802331.
  23. ^ Hingley-Wilson SM (2010). „Individuální homology stresového proteinu Mycobacterium tuberculosis jsou in vitro postradatelné“. Tuberkulóza. 90 (4): 236–244. doi:10.1016 / j.tube.2010.03.013. PMC  2914252. PMID  20541977.
  24. ^ A b C Liu WT (2007). "Role univerzálního stresového proteinu UspA Salmonella při zastavení růstu, stresu a virulenci". Mikrobiální patogeneze. 42 (1): 2–10. doi:10.1016 / j.micpath.2006.09.002. PMID  17081727.

externí odkazy