Дуговая система
Система Arc представляет собой двухкомпонентную систему, обнаруженную у некоторых бактерий , которая регулирует экспрессию генов у факулятивных анаэробов, таких как Escheria coli . [ 1 ] Двухкомпонентная система означает, что она имеет молекулу-сенсор и регулятор реакции . Arc — это аббревиатура от Anoxic Redox Control system. Системы Arc играют важную роль в поддержании энергетического метаболизма во время транскрипции бактерий. [ 2 ] Регулятор ответа ArcA учитывает условия роста и экспрессирует гены , которые лучше всего подходят бактериям. Сенсорная киназа Arc B, представляющая собой трехсторонний белок, связана с мембраной и способна аутофосфорилировать . [ 3 ]
Впервые о системе Arc было сообщено на штаммах E. coli. [ 4 ] и впоследствии многие последовали его примеру. ArcA/ArcB впервые были идентифицированы как играющие важную роль в регуляции аэробных и анаэробных путей Широ Ючи и EC Lin. Эти два ученых разработали генетический экран , используя оперон sdh-lacZ в Δlac штамме E. coli. Было показано, что мутации в arcA и arcB приводят к повышению уровня ферментов, участвующих в анаэробных путях ферментации. Эти два учёных ответственны за название arc , которое первоначально означало аэробный контроль дыхания. [ 2 ]
Структура ArcB и ArcA
[ редактировать ]ArcB состоит из 778 аминокислот. Это многопроходной трансмембранный белок, который дважды проходит через внутреннюю мембрану. Большая часть вторичной структуры ArcB представляет собой альфа-спирали; пять альфа-спиралей и один бета-лист. Две трансмембранные части белка представляют собой альфа-спирали длиной 20 аминокислот, обе из которых богаты гидрофобными аминокислотами. Аминокислоты 79-778 цитоплазматические, 93% белка цитоплазматическое. В этом цитоплазматическом домене присутствуют как сенсорная, так и регуляторная области ArcB. [ 5 ]
ArcA состоит из 238 аминокислот. Это олигомерный белок с двумя идентичными субъединицами; каждая субъединица состоит из 119 аминокислот, пяти альфа-спиралей и шести бета-листов. Аминокислоты 134–234 имеют ДНК-связывающий домен, который может активировать или подавлять экспрессию генов. имеется 76 сайтов связывания ДНК В геноме E. coli , однако ArcA напрямую регулирует примерно 30 различных оперонов. [ 5 ]
Механизм
[ редактировать ]ArcB представляет собой мембраносвязанную сенсорную гистидинкиназу . Он необычен тем, что содержит три отдельных сигнальных домена. Он определяет уровень кислорода в клетке, взаимодействуя с восстановленным хиноном. Когда уровень восстановленных хинонов низкий, это сигнализирует о том, что клетка участвует в аэробном дыхании . Когда уровень сниженного хинона высок, это сигнализирует о том, что клетка неспособна выполнять аэробное дыхание. [ 2 ] Обычно это происходит из-за недостаточного уровня кислорода, который действует как терминальный рецептор электронов в цепи переноса электронов. Затем ArcB может активировать или деактивировать ArcA, регулятор ответа, который затем может перемещаться в хромосому и регулировать экспрессию генов. [ 6 ]
ArcA активируется посредством фосфорилирования. Когда уровень кислорода низкий (анаэробные условия), ArcB аутофосфорилируется. из четырех аминокислот Этот неорганический фосфат затем переносится через фосфорилирование в ArcA. Фосфорилированный ArcA затем может прикрепляться к специфическим консенсусным последовательностям генов на хромосоме, регулирующим примерно 30 различных оперонов. ArcA может действовать как репрессор, так и активатор, в зависимости от того, к какому оперону он присоединяется. [ 2 ] [ 3 ]
Когда уровень кислорода высок (аэробные условия), ArcB действует как фосфатаза, удаляя неорганическую фосфатную группу из ArcA. Без присоединенной фосфатной группы ArcA не может связываться с ДНК, и гены возвращаются к своим первоначальным аэробным уровням экспрессии. Это позволяет клетке участвовать в метаболических путях, наиболее выгодных для текущего состояния клетки. Для дефосфорилирования используется тот же фосфорилирование, что и для фосфорилирования, но оно осуществляется в обратном порядке. [ 6 ]
Без присутствия системы Arc в различных штаммах анаэробных бактерий экспрессия генов не могла бы эффективно контролировать метаболизм во время репликации генетического материала. Во многих условиях роста, когда кислород отсутствует, сенсорная киназа ArcB (связанная с мембраной) превращается в аутофосфорилаты, и этот процесс оказался более эффективным при ферментации определенных метаболитов, таких как пируват, ацетат и D-лактат. [ 4 ]
Генная регуляция
[ редактировать ]Система Arc соединяет цепь переноса электронов с регуляцией определенных генов, позволяя аэробному дыханию происходить в присутствии кислорода и ферментации при отсутствии кислорода. Это осуществляется за счет соединения ArcB с хинонами из цепи переноса электронов. Окисленные хиононы цепи переноса электронов ингибируют аутофосфорилирование ArcB во время аэробного дыхания. Это, в свою очередь, предотвращает фосфорилирование ArcA, отключая активированные опероны . [ 2 ]
Было установлено, что система Arc регулирует до 30 генов, при этом подавляются следующие примеры: цитохром -о-оксидаза, цитохром-d-оксидаза и различные глюконеогенные ферменты, такие как глиоксилатный цикл и окисление жирных кислот . Он также индуцирует экспрессию пируватформиат-лиазы . [ нужна ссылка ]
Одним из основных контролируемых генов является оперон sdh-lacZ . Частично это кодирует синтез сукцинатдегидрогеназы , ключевого элемента цикла ТСА. ArcA выключает экспрессию оперона sdh-lacZ в присутствии кислорода, останавливая процесс цикла TCA. Он также активирует lctD и пируватформиат-лиазу. Эти гены имеют решающее значение в процессе молочнокислого брожения. Они активируются в бескислородных условиях, позволяя клетке продолжать вырабатывать АТФ и расти даже в менее благоприятных условиях. [ 7 ] ArcA подавляет многие другие ферменты, участвующие в цикле ТСА, включая флавопротеиндегидрогеназы и убихиноноксидазы . [ 2 ] Он также подавляет ферменты, участвующие в синтезе глиоксилата , некоторые дегидрогназы, используемые в аэробном росте, и ферменты, участвующие в окислении жирных кислот. Активированные опероны включают гены пируватформиат-лиазного пути и ферменты, участвующие в синтезе кобаламина . [ 8 ]
Другой ген кодирует выработку определенных цитохромов . ArcA репрессирует цитохром bo оксидазу и активирует цитохром bd оксидазу. Цитохромы классифицируются на основе гема , которым они обладают: в этом случае цитохром bo содержит гем c, а цитохром bd-оксидаза - гем d. Оксидаза цитохромов bo является одним из основных переносчиков электронов в цепи переноса электронов аэробного дыхания. Он обладает способностью восстанавливать большинство органических соединений, присутствующих в клеточном метаболизме. Цитохром bd оксидаза активируется в анаэробных условиях. Он имеет более высокое сродство к кислороду, чем цитохром-бо-оксидаза, что может быть полезно для клеток в бескислородных условиях. [ 9 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Ли Ю.С., Хан Дж.С., Чон Ю., Хван Д.С. (март 2001 г.). «Система передачи двухкомпонентного сигнала дуги ингибирует in vitro хромосомную инициацию Escherichia coli» . Журнал биологической химии . 276 (13): 9917–9923. дои : 10.1074/jbc.M008629200 . ПМИД 11133990 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж Мальпика Р., Сандовал Г.Р., Родригес С., Франко Б., Джорджеллис Д. (июнь 2006 г.). «Передача сигналов с помощью двухкомпонентной системы дуги обеспечивает связь между окислительно-восстановительным состоянием пула хинонов и экспрессией генов». Антиоксиданты и окислительно-восстановительная сигнализация . 8 (5–6): 781–795. дои : 10.1089/ars.2006.8.781 . ПМИД 16771670 .
- ^ Перейти обратно: а б Пенья-Сандовал Г.Р., Джорджеллис Д. (март 2010 г.). «Сенсорная киназа ArcB Escherichia coli аутофосфорилируется посредством внутримолекулярной реакции» . Журнал бактериологии . 192 (6): 1735–1739. дои : 10.1128/JB.01401-09 . ПМЦ 2832521 . ПМИД 20097862 .
- ^ Перейти обратно: а б Юнг В.С., Юнг Ю.Р., О Д.Б., Кан Х.А., Ли С.Ю., Чавес-Каналес М. и др. (июль 2008 г.). «Характеристика двухкомпонентной системы передачи сигнала Arc капнофильной рубцовой бактерии Mannheimia succiniciproducens» . Письма FEMS по микробиологии . 284 (1): 109–119. дои : 10.1111/j.1574-6968.2008.01187.x . ПМИД 18462392 .
- ^ Перейти обратно: а б «Сенсорный белок контроля аэробного дыхания ArcB» . ЮниПрот . Проверено 29 июля 2023 г.
- ^ Перейти обратно: а б Браун А.Н., Андерсон М.Т., Бахман М.А., Мобли Х.Л. (июнь 2022 г.). «Двухкомпонентная система ArcAB: функция в обмене веществ, окислительно-восстановительном контроле и инфекции» . Обзоры микробиологии и молекулярной биологии . 86 (2): e0011021. дои : 10.1128/mmbr.00110-21 . ПМК 9199408 . ПМИД 35442087 .
- ^ Ючи С., Аристархов А., Донг Дж.М., Тейлор Дж.С., Лин Э.К. (март 1994 г.). «Влияние нитратного дыхания на экспрессию Arc-контролируемых оперонов, кодирующих сукцинатдегидрогеназу и флавинсвязанную L-лактатдегидрогеназу» . Журнал бактериологии . 176 (6): 1695–1701. дои : 10.1128/jb.176.6.1695-1701.1994 . ПМК 205257 . ПМИД 8132465 .
- ^ Се Г (1997). «Дуговая двухкомпонентная система» . Базы данных последовательностей ЗППП . Национальная лаборатория биологических наук Лос-Аламоса . Проверено 29 июля 2023 г. - через Северо-Западный университет.
- ^ Белевич И., Борисов В.Б., Константинов А.А., Верховский М.И. (август 2005 г.). «Кислородный комплекс цитохрома bd из Escherichia coli: стабильность и фотолабильность». Письма ФЭБС . 579 (21): 4567–4570. дои : 10.1016/j.febslet.2005.07.011 . ПМИД 16087180 . S2CID 36465802 .