Dvousložkový systém

Dvousložkový systém je molekulárně biologický  mechanismus , který umožňuje buňkám vnímat a reagovat na změny různých parametrů prostředí . Dvousložkový systém se zpravidla skládá z membránově vázané histidinkinázy , která snímá změny prostředí, a odpovídajícího regulátoru odezvy , který zajišťuje buněčnou odpověď, zejména díky rozdílné expresi cílových genů. [ 2] . Přestože se dvousložkové systémy nacházejí ve všech třech oblastech života, nejčastěji se vyskytují u bakterií , zejména gramnegativních bakterií a sinic . Geny kódující histidinkinázy a regulátory odezvy zahrnují dvě největší genové rodiny v bakteriích [3] . Mnohem méně často se dvousložkové systémy nacházejí v archaeách a eukaryotech ; jsou však stále popsány u kvasinek a plísní , slizniček a jsou běžné u rostlin , ale u Metazoa [3] zcela chybí .

Mechanismus

Dvousložkové systémy provádějí přenos biologického signálu prostřednictvím fosforylace regulátoru odezvy (RO) histidinkinázou (HA). Histidinkinázy jsou typicky homodimerní transmembránové proteiny , které mají fosfotransferázovou doménu obsahující histidin a doménu vázající ATP , ačkoli byly popsány neobvyklé rodiny HA, které nejsou homodimerní [4] . Regulátory odezvy se mohou skládat z jedné recipientní domény, ale obvykle se jedná o vícedoménové proteiny obsahující recipientní doménu a efektorovou doménu, často s DNA - vazebnou aktivitou [3] . Když HA zaznamená změnu v extracelulárním prostředí, provede autofosforylační reakci přenosem fosforylové skupiny z ATP na specifický histidinový zbytek . Odpovídající RO dále katalyzuje přenos této fosforylové skupiny z HA na aspartátový zbytek v jeho recipientní doméně [5] [6] . V důsledku této reakce RO prochází konformační změnou , která aktivuje jeho efektorovou doménu, která naopak spouští buněčnou odpověď na signál, čímž aktivuje nebo potlačuje expresi cílových genů [3] .

Mnoho HA je bifunkčních a má fosfatázovou aktivitu zaměřenou na odpovídající RO; proto výstupní signál odráží rovnováhu mezi kinázovými a fosfatázovými aktivitami HA. Mnoho RO je také schopno autodefosforylace [7] , navíc relativně labilní fosfoaspartát lze hydrolyzovat neenzymaticky . Celková úroveň fosforylace RO v konečném důsledku řídí jeho aktivitu .

Některé GC jsou hybridy a obsahují vnitřní doménu příjemce. V tomto případě HA autofosforyluje a dále přenáší fosforylovou skupinu do své vnitřní recipientní domény spíše než do samostatného proteinu regulátoru odezvy. Dále se fosforylová skupina přenese na histidintransferázu a z ní na finální RO, která spustí potřebnou buněčnou odpověď [9] [10] . Takový systém se nazývá fosforelay ( anglicky  phosphorelay ). Téměř 25 % bakteriálních HA a většina eukaryotických HA je hybridního typu [3] .

Funkce

Dvousložkové systémy umožňují bakteriím vnímat, reagovat a přizpůsobovat se různým změnám prostředí a stresorům [11] . Dvousložkové systémy mohou reagovat na různé podněty: živiny , redoxní stav buňky, změny osmolarity , signály kvora , antibiotika , teplota , chemoatraktanty , pH a další [12] [13] . Například u Escherichia coli osmoregulační dvousložkový systém EnvZ/OmpR [ řídí rozdílnou expresi porinů vnější membrány OmpF a OmpC [14] . Senzorová kináza KdpD reguluje operon kdpFABC zodpovědný za transport draselných iontů v bakteriích, jako jsou E. coli a Clostridium acetobutylicum [15] . Cytoplazmatická oblast KdpD může být senzorem tlaku turgoru [16] .

Průměrný počet dvouhybridních systémů v bakteriálním genomu se odhaduje na 30 [17] (1–2 % genomu [18] ). Některé bakterie, obvykle endosymbionti nebo patogeny , zcela postrádají dvousložkové systémy a některé bakterie mají více než 200 takových systémů [19] [20] . Takové systémy vyžadují společný regulační systém, aby se zabránilo křížení mezi nimi, což je in vivo poměrně vzácné [21] .

Evoluce

Počet dvousložkových systémů zakódovaných v bakteriálním genomu úzce souvisí s jeho velikostí a také s ekologickou nikou , kterou bakterie zabírá. Obyvatelé nik, ve kterých se často mění podmínky prostředí, mají více genů kódujících HA a RO [3] [22] . Nové dvousložkové systémy mohou být tvořeny genovou duplikací a přenášeny horizontálním přenosem genů a rychlost obou procesů se u různých druhů bakterií významně liší [23] . Ve většině případů jsou GC a jim odpovídající RO kódovány jedním operonem [3] . Na rozdíl od genové duplikace je horizontální přenos genů vhodnější pro zachování organizace operonu [23] .

U eukaryot

Dvousložkové systémy mezi eukaryoty jsou vzácné. Vyskytují se v kvasinkách, vláknitých houbách, slizovkách, jsou zcela běžné u rostlin, ale zcela chybí u pravých mnohobuněčných živočichů (Metazoa) [3] . Zdá se, že eukaryota obdržela dvousložkové systémy prostřednictvím horizontálního přenosu genů, často z endosymbiotických organel a jejich GC jsou obvykle hybridního typu. Například u kvasinky Candida albicans jsou jaderné geny kódující složky dvousložkových systémů mitochondriálního původu [24] . Dvousložkové systémy jsou úspěšně integrovány do rostlinných signálních drah, které řídí vývoj, a pravděpodobně pocházejí z chloroplastů prostřednictvím horizontálního přenosu genů [3] . Například u Arabidopsis thaliana je gen kódující chloroplastovou senzorovou kinázu ( angl.  chloropast sensor kinase, CSK ) umístěn v jaderném genomu, ale pochází z chloroplastového genomu. CSK zajišťuje fungování regulačního systému, který spojuje fotosyntézu a expresi chloroplastových genů; toto pozorování bylo popsáno jako klíčová předpověď hypotézy CoRR , která vysvětluje zachování genů v endosymbiotických organelách [25] [26] .

Není jasné, proč jsou dvousložkové systémy vzácné u eukaryot, ve kterých mnoho funkcí dvousložkových systémů vykonává signalizační systémy založené na serinových , threoninových a tyrosinkinázách . Jedním z navrhovaných vysvětlení je, že fosfoaspartát je příliš nestabilní a pro přenos signálu ve složitějších eukaryotických buňkách jsou zapotřebí stabilnější sloučeniny. [3] . Je třeba poznamenat, že zkřížení mezi signálními cestami eukaryotických buněk je běžným jevem, zatímco u bakteriálních dvousložkových systémů je vzácné [27] .

Bioinformatika

Vzhledem k podobnosti sekvencí a operonové struktury je mnoho dvousložkových systémů, zejména HA, relativně snadno identifikovatelných pomocí bioinformatické analýzy. Eukaryotické kinázy lze celkem snadno identifikovat, ale nalezení jejich substrátů není triviální úkol [3] . Databáze dvousložkových systémů prokaryot - P2CS - uchovává informace a klasifikuje známé dvousložkové systémy. V některých případech databáze ukládá předpovědi o navrhovaných partnerech GC a RO [28] [29] .

Poznámky

  1. ↑ Mascher T. , Helmann JD , Unden G. Vnímání stimulu v bakteriálních histidinkinázách převádějících signál.  (anglicky)  // Recenze mikrobiologie a molekulární biologie : MMBR. - 2006. - Sv. 70, č. 4 . - S. 910-938. - doi : 10.1128/MMBR.00020-06 . — PMID 17158704 .
  2. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Capra EJ , Laub MT Evoluce dvousložkových systémů přenosu signálu.  (anglicky)  // Annual review of microbiology. - 2012. - Sv. 66. - S. 325-347. - doi : 10.1146/annurev-micro-092611-150039 . — PMID 22746333 .
  3. ↑ Herrou J. , Crosson S. , Fiebig A. Struktura a funkce senzorových histidinkináz rodiny HWE/HisKA2.  (anglicky)  // Současný názor v mikrobiologii. - 2017. - Sv. 36. - S. 47-54. - doi : 10.1016/j.mib.2017.01.008 . — PMID 28193573 .
  4. ↑ Sanders DA , Gillece-Castro BL , Stock AM , Burlingame AL , Koshland DE Jr. Identifikace místa fosforylace proteinu regulátoru odezvy na chemotaxi, CheY.  (anglicky)  // The Journal of biologické chemie. - 1989. - Sv. 264, č.p. 36 . - S. 21770-21778. — PMID 2689446 .
  5. ↑ Sanders DA , Gillece-Castro BL , Burlingame AL , Koshland DE Jr. Fosforylační místo NtrC, protein fosfatázy, jejíž kovalentní meziprodukt aktivuje transkripci.  (anglicky)  // Journal of bacteriology. - 1992. - Sv. 174, č.p. 15 . - S. 5117-5122. — PMID 1321122 .
  6. ↑ West AH , Stock AM Histidinkinázy a proteiny regulátoru odezvy ve dvousložkových signalizačních systémech.  (anglicky)  // Trendy v biochemických vědách. - 2001. - Sv. 26, č. 6 . - S. 369-376. — PMID 11406410 .
  7. ↑ Varughese KI Molekulární rozpoznávání bakteriálních fosforelayových proteinů.  (anglicky)  // Současný názor v mikrobiologii. - 2002. - Sv. 5, č. 2 . - S. 142-148. — PMID 11934609 .
  8. ↑ Hoch JA , Varughese KI Udržování signálů přímo v transdukci fosforelayového signálu.  (anglicky)  // Journal of bacteriology. - 2001. - Sv. 183, č.p. 17 . - S. 4941-4949. — PMID 11489844 .
  9. ↑ Skerker JM , Prasol MS , Perchuk BS , Biondi EG , Laub MT Dvousložkové signální transdukční dráhy regulující růst a progresi buněčného cyklu u bakterie: analýza na systémové úrovni.  (anglicky)  // Public Library of Science Biology. - 2005. - Sv. 3, č. 10 . - P. e334. - doi : 10.1371/journal.pbio.0030334 . — PMID 16176121 .
  10. ↑ Wolanin PM , Thomason PA , Stock JB Histidin proteinkinázy: klíčové přenašeče signálu mimo živočišnou říši.  (anglicky)  // Genome biology. - 2002. - Sv. 3, č. 10 . - S. 3013. - PMID 12372152 .
  11. ↑ Attwood P.V. , Piggott MJ , Zu XL , Besant P.G. Zaměření na fosfohistidin.  (anglicky)  // Aminokyseliny. - 2007. - Sv. 32, č. 1 . - S. 145-156. - doi : 10.1007/s00726-006-0443-6 . — PMID 17103118 .
  12. ↑ Buckler DR , Anand GS , Stock AM Fosforylace a aktivace regulátoru odezvy: obousměrná ulice?  (anglicky)  // Trendy v mikrobiologii. - 2000. - Sv. 8, č. 4 . - S. 153-156. — PMID 10754569 .
  13. ↑ Treuner-Lange A. , Kuhn A. , Dürre P. Systém kdp Clostridium acetobutylicum: klonování, sekvenování a regulace transkripce v reakci na koncentraci draslíku.  (anglicky)  // Journal of bacteriology. - 1997. - Sv. 179, č.p. 14 . - S. 4501-4512. — PMID 9226259 .
  14. ↑ Walderhaug MO , Polarek JW , Voelkner P. , Daniel JM , Hesse JE , Altendorf K. , Epstein W. KdpD a KdpE, proteiny, které řídí expresi operonu kdpABC, jsou členy dvousložkové třídy regulátorů senzor-efektor .  (anglicky)  // Journal of bacteriology. - 1992. - Sv. 174, č.p. 7 . - S. 2152-2159. — PMID 1532388 .
  15. ↑ Schaller GE , Shiu SH , Armitage JP Dvousložkové systémy a jejich koopce pro přenos eukaryotického signálu.  (anglicky)  // Současná biologie : CB. - 2011. - Sv. 21, č. 9 . - S. 320-330. - doi : 10.1016/j.cub.2011.02.045 . — PMID 21549954 .
  16. ↑ Salvado B. , Vilaprinyo E. , Sorribas A. , Alves R. Přehled domén HK, HPt a RR a jejich organizace ve dvousložkových systémech a fosforelayových proteinech organismů s plně sekvenovanými genomy.  (anglicky)  // PeerJ. - 2015. - Sv. 3. - P. e1183. - doi : 10.7717/peerj.1183 . — PMID 26339559 .
  17. ↑ Wuichet K. , Cantwell BJ , Zhulin IB Evoluce a fyletická distribuce dvousložkových systémů přenosu signálu.  (anglicky)  // Současný názor v mikrobiologii. - 2010. - Sv. 13, č. 2 . - S. 219-225. - doi : 10.1016/j.mib.2009.12.011 . — PMID 20133179 .
  18. ↑ Shi X. , Wegener-Feldbrügge S. , Huntley S. , Hamann N. , Hedderich R. , Søgaard-Andersen L. Bioinformatika a experimentální analýza proteinů dvousložkových systémů u Myxococcus xanthus.  (anglicky)  // Journal of bacteriology. - 2008. - Sv. 190, č.p. 2 . - S. 613-624. - doi : 10.1128/JB.01502-07 . — PMID 17993514 .
  19. ↑ Laub MT , Goulian M. Specifičnost ve dvousložkových signálních transdukčních drahách.  (anglicky)  // Každoroční přehled genetiky. - 2007. - Sv. 41. - S. 121-145. - doi : 10.1146/annurev.genet.41.042007.170548 . — PMID 18076326 .
  20. ↑ Galperin MY Strukturální klasifikace regulátorů bakteriální odezvy: diverzita výstupních domén a kombinace domén.  (anglicky)  // Journal of bacteriology. - 2006. - Sv. 188, č.p. 12 . - S. 4169-4182. - doi : 10.1128/JB.01887-05 . — PMID 16740923 .
  21. ↑ 1 2 Alm E. , Huang K. , Arkin A. Evoluce dvousložkových systémů v bakteriích odhaluje různé strategie adaptace na niku.  (anglicky)  // Public Library of Science for Computational Biology. - 2006. - Sv. 2, č. 11 . — P. e143. - doi : 10.1371/journal.pcbi.0020143 . — PMID 17083272 .
  22. ↑ Mavrianos J. , Berkow EL , Desai C. , Pandey A. , Batish M. , Rabadi MJ , Barker KS , Pain D. , Rogers PD , Eugenin EA , Chauhan N. Mitochondriální dvousložkové signalizační systémy u Candida albicans.  (anglicky)  // Eukaryotická buňka. - 2013. - Sv. 12, č. 6 . - S. 913-922. - doi : 10.1128/EC.00048-13 . — PMID 23584995 .
  23. ↑ Puthiyaveetil S. , Kavanagh TA , Cain P. , Sullivan JA , Newell CA , Gray JC , Robinson C. , van der Giezen M. , Rogers MB , Allen JF Senzorová kináza předků symbiontů CSK spojuje fotosyntézu s genovou expresí v chloroplastech.  (anglicky)  // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. - 2008. - Sv. 105, č.p. 29 . - S. 10061-10066. - doi : 10.1073/pnas.0803928105 . — PMID 18632566 .
  24. ↑ Allen JF Proč si chloroplasty a mitochondrie zachovávají své vlastní genomy a genetické systémy: Kolokace pro redoxní regulaci genové exprese.  (anglicky)  // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. - 2015. - Sv. 112, č.p. 33 . - S. 10231-10238. - doi : 10.1073/pnas.1500012112 . — PMID 26286985 .
  25. ↑ Rowland MA , Deeds EJ Crosstalk a vývoj specifičnosti ve dvousložkové signalizaci.  (anglicky)  // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. - 2014. - Sv. 111, č.p. 15 . - S. 5550-5555. - doi : 10.1073/pnas.1317178111 . — PMID 24706803 .
  26. ↑ Barakat M. , Ortet P. , Whitworth DE P2CS: databáze prokaryotických dvousložkových systémů.  (anglicky)  // Výzkum nukleových kyselin. - 2011. - Sv. 39. - S. D771-776. - doi : 10.1093/nar/gkq1023 . — PMID 21051349 .
  27. ↑ Ortet P. , Whitworth D.E. , Santaella C. , Achouak W. , Barakat M. P2CS: aktualizace databáze prokaryotických dvousložkových systémů.  (anglicky)  // Výzkum nukleových kyselin. - 2015. - Sv. 43. - S. D536-541. doi : 10.1093 / nar/gku968 . — PMID 25324303 .

Odkazy