Сигма-фактор
Сигма -фактор ( σ-фактор или фактор специфичности ) — белок, необходимый для инициации транскрипции у бактерий . [1] [2] Это бактериальный фактор инициации транскрипции , который обеспечивает специфическое связывание РНК-полимеразы генов (РНКП) с промоторами . Он гомологичен архейному фактору транскрипции B и эукариотическому фактору TFIIB . [3] Конкретный сигма-фактор, используемый для инициации транскрипции данного гена, будет варьироваться в зависимости от гена и сигналов окружающей среды, необходимых для инициации транскрипции этого гена. Выбор промоторов РНК-полимеразой зависит от ассоциированного с ней сигма-фактора. [4] Они также обнаружены в хлоропластах растений как часть бактериоподобной пластид-кодируемой полимеразы (PEP). [5]
Сигма-фактор вместе с РНК-полимеразой известен как голофермент РНК-полимеразы . Каждая молекула голофермента РНК-полимеразы содержит ровно одну субъединицу сигма-фактора, которая в модельной бактерии Escherichia coli является одной из перечисленных ниже. Количество сигма-факторов варьируется в зависимости от вида бактерий. [1] [6] E. coli имеет семь сигма-факторов. Сигма-факторы отличаются характерной молекулярной массой . Например, σ 70 – сигма-фактор с молекулярной массой 70 кДа .
Сигма-фактор в голоферментном комплексе РНК-полимеразы необходим для инициации транскрипции, хотя после завершения этой стадии он отделяется от комплекса, и РНКП продолжает элонгацию самостоятельно.
Специализированные сигма-факторы
[ редактировать ]Различные сигма-факторы используются в разных условиях окружающей среды. Эти специализированные сигма-факторы связывают промоторы генов, соответствующие условиям окружающей среды, увеличивая транскрипцию этих генов.
Сигма-факторы в E. coli :
- п 70 (РпоД) – σ А – сигма-фактор «домашнего хозяйства» , также называемый первичным сигма-фактором (группа 1), транскрибирует большинство генов в растущих клетках. В каждой клетке есть сигма-фактор «домашнего хозяйства», который поддерживает работу важных генов и путей. [1] В случае E. coli и других грамотрицательных палочковидных бактерий сигма-фактор «домашнего хозяйства» равен σ. 70 . [1] Гены, распознаваемые σ 70 промотора, все они содержат сходные консенсусные последовательности состоящие из двух частей. [1] По отношению к основанию ДНК, соответствующему началу транскрипта РНК, последовательности консенсусного промотора обычно располагаются по центру на 10 и 35 нуклеотидах перед началом транскрипции (-10 и -35).
- п 19 (FecI) - сигма-фактор цитрата железа, регулирует ген fec , отвечающий за транспорт и метаболизм железа.
- п 24 (RpoE) - реакция на экстремальный тепловой стресс и сигма-фактор внеклеточных белков.
- п 28 (RpoF/FliA) – жгутикового синтеза и хемотаксиса. сигма-фактор
- п 32 (RpoH) – сигма-фактор теплового шока , он включается при воздействии на бактерии тепла. Из-за более высокой экспрессии фактор с высокой вероятностью будет связываться с ферментом-ядро полимеразы. При этом экспрессируются другие белки теплового шока, которые позволяют клетке выдерживать более высокие температуры. Некоторые ферменты, которые экспрессируются при активации σ 32 являются шаперонами , протеазами и ферментами репарации ДНК.
- п 38 (RpoS) – сигма-фактор голодания/стационарной фазы.
- п 54 (RpoN) - сигма-фактор ограничения азота.
Существуют также анти-сигма-факторы , которые ингибируют функцию сигма-факторов, и анти-антисигма-факторы, которые восстанавливают функцию сигма-фактора.
Структура
[ редактировать ]
По сходству последовательностей большинство сигма-факторов представляют собой σ 70 -подобно ( ИнтерПро : IPR000943 ). У них есть четыре основных региона (домена), которые обычно сохраняются:
N-terminus --------------------- C-terminus
1.1 2 3 4
Регионы подразделяются далее. Например, регион 2 включает номера 1.2 и 2.1–2.4.
Домен 1.1 обнаружен только в «первичных сигма-факторах» (RpoD, RpoS в E.coli ; «Группа 1»). Он участвует в обеспечении того, чтобы сигма-фактор связывал промотор только тогда, когда он образует комплекс с РНК-полимеразой. [7] Каждый из доменов 2–4 взаимодействует со специфическими элементами промотора и с РНКП. Область 2.4 распознает элемент промотора -10 (называемый « коробкой Прибнова ») и связывается с ним. Область 4.2 распознает элемент промотора -35 и связывается с ним. [7]
Не каждый сигма-фактор σ 70 семейство содержит все домены. Группа 2, которая включает RpoS, очень похожа на группу 1, но в ней отсутствует домен 1. В группе 3 также отсутствует домен 1, и она включает σ 28 . Группа 4, также известная как группа экстрацитоплазматической функции (ECF), лишена как σ1.1, так и σ3. RpoE является членом. [7]
Другие известные сигма-факторы имеют σ 54 /RpoN ( InterPro : IPR000394 Тип ). Они являются функциональными сигма-факторами, но имеют существенно разные первичные аминокислотные последовательности. [8]
|
|
|
|
|
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Удержание во время элонгации транскрипции
[ редактировать ]Ядро РНК-полимеразы (состоящее из 2 альфа-(α), 1 бета-(β), 1 бета-прайм-(β') и 1 омега-(ω) субъединиц) связывает сигма-фактор с образованием комплекса, называемого РНК-полимеразы голоферментом . Ранее считалось, что голофермент РНК-полимеразы инициирует транскрипцию, тогда как коровая РНК-полимераза сама синтезирует РНК. Таким образом, общепринятой точкой зрения было то, что сигма-фактор должен диссоциировать при переходе от инициации транскрипции к элонгации транскрипции (этот переход называется «ускользанием от промотора»). Эта точка зрения была основана на анализе очищенных комплексов РНК-полимеразы, остановленных при инициации и элонгации. Наконец, структурные модели комплексов РНК-полимеразы предсказывали, что по мере того, как растущий продукт РНК становится длиннее ~ 15 нуклеотидов, сигма должна быть «вытеснена» из голофермента, поскольку между РНК и сигма-доменом происходит стерическое столкновение. Однако σ 70 может оставаться прикрепленным в комплексе с основной РНК-полимеразой на ранней стадии элонгации [9] а иногда и на протяжении всего удлинения. [10] Действительно, феномен проксимальной паузы в промоторе указывает на то, что сигма играет роль во время ранней элонгации. Все исследования согласуются с предположением, что уход промотора сокращает время жизни сигма-корового взаимодействия от очень длительного в начале (слишком долгого, чтобы его можно было измерить в типичном биохимическом эксперименте) до более короткого, измеримого времени жизни при переходе к элонгации.
Сигма-цикл
[ редактировать ]Долгое время считалось, что сигма-фактор обязательно покидает коровый фермент после того, как тот инициирует транскрипцию, что позволяет ему связаться с другим коровым ферментом и инициировать транскрипцию в другом сайте. Таким образом, сигма-фактор будет циклически переходить от одного ядра к другому. Однако с помощью резонансного переноса энергии флуоресценции было показано, что сигма-фактор не обязательно покидает ядро. [9] Вместо этого он меняет свое связывание с ядром во время инициации и элонгации. Следовательно, сигма-фактор циклически переключается между сильно связанным состоянием во время инициации и слабосвязанным состоянием во время элонгации.
Конкуренция сигма-фактора
[ редактировать ]Было показано, что количество РНКП в бактериальных клетках (например, E. coli ) меньше, чем количество сигма-факторов. Следовательно, если определенный сигма-фактор сверхэкспрессируется, это не только увеличит уровни экспрессии генов, промоторы которых отдают предпочтение этому сигма-фактору, но также уменьшит вероятность того, что гены с промоторами отдают предпочтение другим сигма-факторам. [11] [12] [13] [14]
Между тем, инициация транскрипции имеет два основных этапа, лимитирующих скорость: образование закрытого и открытого комплекса. Однако от концентрации сигма-факторов зависит только динамика первого шага. Интересно, что быстрее всего происходит образование закрытого комплекса по сравнению с образованием открытого комплекса, тем менее чувствительным является промотор к изменению концентрации сигма-факторов (см. [14] модель и эмпирические данные этого явления).
Гены с предпочтением двойного сигма-фактора
[ редактировать ]Хотя большинство генов E. coli могут распознаваться РНКП с одним и только одним типом сигма-фактора (например, сигма 70), некоторые гены (~ 5%) обладают так называемым «предпочтением двойного сигма-фактора». [15] то есть они могут реагировать на два разных сигма-фактора, как сообщается в RegulonDB. [16] Наиболее распространенными являются те промоторы, которые могут реагировать как на сигму 70, так и на сигму 38 (показано на рисунке). Исследования динамики этих генов показали, что когда клетки вступают в стационарный рост, они индуцируются почти так же, как те гены, которые отдают предпочтение только σ38. Было показано, что этот уровень индукции можно предсказать по последовательности их промотора. [15] Модель их динамики представлена на рисунке. В будущем эти промоторы могут стать полезными инструментами в синтетических генетических конструкциях E. coli .
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д и Грубер Т.М., Гросс, Калифорния (2003). «Множественные сигма-субъединицы и разделение бактериального транскрипционного пространства». Ежегодный обзор микробиологии . 57 : 441–66. дои : 10.1146/annurev.micro.57.030502.090913 . ПМИД 14527287 .
- ^ Кан Дж.Г., Хан М.Ю., Исихама А., Роу Дж.Х. (июль 1997 г.). «Идентификация сигма-факторов для селективности промотора, связанной с фазой роста, РНК-полимераз из Streptomyces coelicolor A3 (2)» . Исследования нуклеиновых кислот . 25 (13): 2566–73. дои : 10.1093/нар/25.13.2566 . ПМЦ 146787 . ПМИД 9185565 .
- ^ Бертон С.П., Бертон З.Ф. (6 ноября 2014 г.). «Загадка σ: бактериальные σ-факторы, архейный TFB и эукариотический TFIIB являются гомологами» . Транскрипция . 5 (4): e967599. дои : 10.4161/21541264.2014.967599 . ПМЦ 4581349 . ПМИД 25483602 .
- ^ Хо ТД, компакт-диск Эллермейера (апрель 2012 г.). «Активация σ-фактора дополнительной цитоплазматической функции» . Современное мнение в микробиологии . 15 (2): 182–8. дои : 10.1016/j.mib.2012.01.001 . ПМК 3320685 . ПМИД 22381678 .
- ^ Швеер Дж., Тюркери Х., Колпак А., Линк Дж. (декабрь 2010 г.). «Роль и регуляция пластидных сигма-факторов и их функциональных взаимодействий во время транскрипции хлоропластов - недавние уроки Arabidopsis thaliana». Европейский журнал клеточной биологии . 89 (12): 940–6. дои : 10.1016/j.ejcb.2010.06.016 . ПМИД 20701995 .
- ^ Шарма Великобритания, Чаттерджи Д. (сентябрь 2010 г.). «Переключение транскрипции у Escherichia coli во время стресса и голодания путем модуляции сигма-активности» . Обзоры микробиологии FEMS . 34 (5): 646–57. дои : 10.1111/j.1574-6976.2010.00223.x . ПМИД 20491934 .
- ^ Перейти обратно: а б с Пейджет М.С. (июнь 2015 г.). «Бактериальные сигма-факторы и анти-сигма-факторы: структура, функции и распространение» . Биомолекулы . 5 (3): 1245–65. дои : 10.3390/biom5031245 . ПМЦ 4598750 . ПМИД 26131973 .
- ^ Меррик MJ (декабрь 1993 г.). «В своем классе - сигма-фактор сигма 54 РНК-полимеразы (сигма N)». Молекулярная микробиология . 10 (5): 903–9. дои : 10.1111/j.1365-2958.1993.tb00961.x . ПМИД 7934866 . S2CID 84789281 .
- ^ Перейти обратно: а б Капанидис А.Н., Марджат Э., Лоуренс Т.А., Дуз С., Хо СО, Мухопадьяй Дж., Кортхонджиа Э., Меклер В., Эбрайт Р.Х., Вайс С. (ноябрь 2005 г.). «Сохранение фактора инициации транскрипции sigma70 при элонгации транскрипции: анализ одиночных молекул» . Молекулярная клетка . 20 (3): 347–56. doi : 10.1016/j.molcel.2005.10.012 . ПМИД 16285917 .
- ^ Харден Т.Т., Уэллс К.Д., Фридман Л.Дж., Ландик Р., Хохшильд А., Кондев Дж., Геллес Дж. (январь 2016 г.). «Бактериальная РНК-полимераза может сохранять σ70 на протяжении всей транскрипции» . Proc Natl Acad Sci США . 113 (3): 602–7. Бибкод : 2016PNAS..113..602H . дои : 10.1073/pnas.1513899113 . ПМЦ 4725480 . ПМИД 26733675 .
- ^ Джишаге, М; Исихама, А. (декабрь 1995 г.). «Регуляция синтеза сигма-субъединицы РНК-полимеразы в Escherichia coli: внутриклеточные уровни сигма 70 и сигма 38» . Журнал бактериологии . 177 (23): 6832–6835. дои : 10.1128/jb.177.23.6832-6835.1995 . ISSN 0021-9193 . ПМК 177550 . ПМИД 7592475 .
- ^ Джишаге, М; Ивата, А; Уэда, С; Исихама, А. (сентябрь 1996 г.). «Регуляция синтеза сигма-субъединицы РНК-полимеразы в Escherichia coli: внутриклеточные уровни четырех видов сигма-субъединицы в различных условиях роста» . Журнал бактериологии . 178 (18): 5447–5451. дои : 10.1128/jb.178.18.5447-5451.1996 . ISSN 0021-9193 . ПМК 178365 . ПМИД 8808934 .
- ^ Григорова Ирина Л.; Флегер, Наум Дж.; Муталик, Вивек К.; Гросс, Кэрол А. (4 апреля 2006 г.). «Понимание регуляции транскрипции и σ-конкуренции на основе равновесной модели связывания РНК-полимеразы с ДНК» . Труды Национальной академии наук . 103 (14): 5332–5337. Бибкод : 2006PNAS..103.5332G . дои : 10.1073/pnas.0600828103 . ISSN 0027-8424 . ПМЦ 1459355 . ПМИД 16567622 .
- ^ Перейти обратно: а б Кандавалли, Винод К.; Тран, Хай; Рибейро, Андре С. (октябрь 2016 г.). «Эффекты конкуренции σ-факторов зависят от кинетики инициации промотора» . Биохимия и биофизика Acta (BBA) - Механизмы регуляции генов . 1859 (10): 1281–1288. дои : 10.1016/j.bbagrm.2016.07.011 . ПМИД 27452766 .
- ^ Перейти обратно: а б Баптиста, Инес СК; Кандавалли, Винод; Чаухан, авторы; Бахрудин, Мохаммед Н.М.; Алмейда, Билена Л.Б.; Палм, Кристина С.Д.; Даш, Сучинтак; Рибейро, Андре С. (апрель 2022 г.). «Последовательность-зависимая модель генов с двойным предпочтением σ-фактора» . Биохимия и биофизика Acta (BBA) - Механизмы регуляции генов . 1865 (3):194812 doi : 10.1016/j.bbagrm.2022.194812 . hdl : 10362/143501 . ПМИД 35338024 . S2CID 247636833 .
- ^ Сантос-Савалета, Альберто; Сальгадо, Хеладия; Гама-Кастро, Сокорро; Санчес-Перес, Мишаэль; Гомес-Ромеро, Лаура; Ледезма-Техейда, Даниэла; Гарсиа-Сотело, Хаир Сантьяго; Алькисира-Эрнандес, Кевин; Муньис-Раскадо, Луис Хосе; Пенья-Лоредо, Пабло; Исида-Гутьеррес, Сесилия (08 января 2019 г.). «RegulonDB v 10.5: решение задач по унификации классических и высокопроизводительных знаний о регуляции генов в E. coli K-12» . Исследования нуклеиновых кислот . 47 (Д1): Д212–Д220. дои : 10.1093/nar/gky1077 . ISSN 0305-1048 . ПМК 6324031 . ПМИД 30395280 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Сигма + Фактор в Национальной медицинской библиотеке США по медицинским предметным рубрикам (MeSH)