Изменение фазы
В биологии — фазовое изменение это метод борьбы с быстро меняющейся средой без необходимости случайных мутаций. Он включает в себя изменение экспрессии белка, часто в режиме включения-выключения, в разных частях бактериальной популяции. Таким образом, фенотип может переключаться с частотой, которая намного выше (иногда> 1%), чем классическая частота мутаций. Фазовые вариации способствуют вирулентности, создавая гетерогенность. Хотя его чаще всего изучают в контексте уклонения от иммунитета , он наблюдается и во многих других областях и используется различными типами бактерий, включая сальмонелл виды .
Сальмонеллы используют этот метод для переключения между различными типами белка флагеллина . В результате собираются жгутики разного строения. Как только адаптивный ответ установлен против одного типа флагеллина или если предыдущее столкновение оставило адаптивную иммунную систему готовой справиться с одним типом флагеллина, переключение типов делает ранее высокоаффинные антитела, TCR и BCR неэффективными против жгутиков.
Сайт-специфическая рекомбинация
[ редактировать ]Сайт-специфические рекомбинации обычно кратковременны и происходят в одном сайте-мишени внутри рекомбинирующей последовательности. Для того, чтобы это произошло, обычно существует один или несколько кофакторов (например, ДНК-связывающие белки и наличие или отсутствие сайтов связывания ДНК) и сайт-специфическая рекомбиназа . [ 1 ] Происходит изменение ориентации ДНК, которое повлияет на экспрессию генов или структуру генного продукта. [ 2 ] Это осуществляется путем изменения пространственного расположения промотора или регуляторных элементов. [ 1 ]
Инверсия
[ редактировать ]
Благодаря использованию специфических рекомбиназ определенная последовательность ДНК инвертируется, что приводит к включению и выключению гена, расположенного внутри или рядом с этим переключателем. Многие виды бактерий могут использовать инверсию для изменения экспрессии определенных генов в пользу бактерии во время инфекции. [ 1 ] Событие инверсии может быть простым за счет включения переключения в экспрессию одного гена, как, например, экспрессия пилина E. coli , или более сложным за счет вовлечения нескольких генов в экспрессию нескольких типов флагеллина S. typhimurium . [ 3 ] Фимбриальная адгезия фимбрии типа I в E. coli подвергается сайт-специфической инверсии, чтобы регулировать экспрессию fimA , основной субъединицы пилей, в зависимости от стадии инфекции. Внутри обратимого элемента имеется промотор, который в зависимости от ориентации включает или выключает транскрипцию fimA . Инверсия опосредуется двумя рекомбиназами, FimB и FimE, а также регуляторными белками H-NS, интеграционным фактором хозяина (IHF) и лейцин-чувствительным белком (LRP). Рекомбиназа FimE способна только инвертировать элемент и включать или выключать экспрессию, тогда как FimB может опосредовать инверсию в обоих направлениях. [ 4 ]
Инсерция-иссечение
[ редактировать ]Если иссечение выполнено точно и исходная последовательность ДНК восстановлена, обратимые фазовые изменения могут быть опосредованы транспозицией . Фазовые изменения, опосредованные транспозицией, нацелены на определенные последовательности ДНК. [ 5 ] P. atlantica содержит локус eps , который кодирует внеклеточный полисахарид, и экспрессия ON или OFF этого локуса контролируется наличием или отсутствием IS492. Две рекомбиназы, кодируемые MooV и Piv, опосредуют точное вырезание и вставку, соответственно, инсерционного элемента IS492 в локус eps . Когда IS492 вырезается, он становится круглым внехромосомным элементом, что приводит к восстановлению экспрессии eps . [ 5 ] [ 6 ]
Другой, более сложный пример сайт-специфической перестройки ДНК используется в жгутиках Salmonella typhimurium . В обычной фазе последовательность промотора способствует экспрессии гена жгутика H2 вместе с репрессором гена жгутика H1. Как только эта последовательность промотора инвертируется геном hin, репрессор отключается, как и H2, что позволяет экспрессировать H1.
Конверсия генов
[ редактировать ]Генная конверсия — еще один пример фазового изменения. пили типа IV Neisseria gonorrhoeae Таким образом контролируются . Существует несколько копий гена, кодирующего эти пили (ген Pil), но в любой момент времени экспрессируется только одна. Это называется геном PilE. «Молчащие» версии этого гена, PilS, могут использовать гомологичную рекомбинацию для объединения с частями гена PilE и, таким образом, создавать другой фенотип. Это позволяет обнаружить до 10 000 000 различных фенотипов пилей. [ нужна ссылка ] .
Эпигенетическая модификация – метилирование
[ редактировать ]В отличие от других механизмов фазовых изменений, эпигенетические модификации не меняют последовательность ДНК, и поэтому изменяется фенотип, а не генотип. Целостность генома не нарушена, а изменения, вызванные метилированием, изменяют связывание факторов транскрипции. Результатом является регуляция транскрипции, приводящая к переключению экспрессии генов. [ 2 ] [ 5 ] Белок внешней мембраны Антиген 43 (Ag43) в E. coli контролируется фазовыми изменениями, опосредованными двумя белками: ДНК-метилирующим ферментом дезоксиаденозинметилтрансферазой (Dam) и регулятором окислительного стресса OxyR. Ag43, расположенный на поверхности клеток, кодируется геном Agn43 (ранее обозначавшимся как грипп ) и важен для биопленок и инфекций. Экспрессия Agn43 зависит от связывания регуляторного белка OxyR. Когда OxyR связывается с регуляторной областью Agn43 , которая перекрывается с промотором, он ингибирует транскрипцию. Фаза транскрипции ON зависит от метилирования Dam последовательностей GATC в начале гена Agn43 (который случайно перекрывается с сайтом связывания OxyR). Когда Dam метилирует сайты GATC, он ингибирует связывание OxyR, обеспечивая транскрипцию Ag43. [ 7 ]
Вложенная инверсия ДНК
[ редактировать ]В этой форме изменения фазы. Промоторная область генома может перемещаться от одной копии гена к другой посредством гомологичной рекомбинации . Это происходит с поверхностными белками плода Campylobacter . Все несколько различных поверхностных антигенных белков, за исключением одного, молчат, и все они имеют общую консервативную область на 5'-конце. Затем последовательность промотора может перемещаться между этими консервативными областями и обеспечивать экспрессию другого гена. [ нужна ссылка ] .
Неправильное спаривание выскользнувшей пряди
[ редактировать ]Неправильное спаривание выскользнувшей цепи (SSM) — это процесс, который приводит к неправильному спариванию коротких повторных последовательностей между материнской и дочерней цепью во время синтеза ДНК . [ 1 ] Этот RecA -независимый механизм может реализовываться либо во время репликации ДНК , либо во время репарации ДНК и может находиться на ведущей или отстающей цепи. SSM может приводить к увеличению или уменьшению количества коротких повторяющихся последовательностей. Короткие повторяющиеся последовательности содержат от 1 до 7 нуклеотидов и могут представлять собой гомогенные или гетерогенные повторяющиеся последовательности ДНК. [ 3 ]
Измененная экспрессия генов является результатом SSM и в зависимости от того, где происходит увеличение или уменьшение коротких повторных последовательностей по отношению к промотору, будет регулироваться либо на уровне транскрипции, либо на уровне трансляции. [ 8 ] Результатом является фаза включения или выключения гена или генов.
Регуляция транскрипции (нижняя часть рисунка) происходит несколькими способами. Один из возможных способов заключается в том, что повторы расположены в области промотора в сайте связывания РНК-полимеразы , -10 и -35 выше гена(ов). Условно-патогенный возбудитель H. influenzae имеет два дивергентно ориентированных промотора и гены фимбрий hifA и hifB . Перекрывающиеся области промотора содержат повторы динуклеотида ТА в последовательностях -10 и -35. Посредством SSM область повтора ТА может подвергаться добавлению или вычитанию динуклеотидов ТА, что приводит к обратимой фазе включения или фазы выключения транскрипции hifA и hifB . [ 3 ] [ 9 ] Второй способ, с помощью которого SSM индуцирует регуляцию транскрипции, заключается в изменении коротких повторяющихся последовательностей, расположенных вне промотора. Если есть изменение в последовательности коротких повторов, это может повлиять на связывание регуляторного белка, такого как активатор или репрессор. Это также может приводить к различиям в посттранскрипционной стабильности мРНК. [ 5 ]
Трансляцию белка можно регулировать с помощью SSM, если короткие повторяющиеся последовательности находятся в кодирующей области гена ( верхняя часть рисунка). Изменение количества повторов в открытой рамке считывания может повлиять на последовательность кодонов за счет добавления преждевременного стоп-кодона или изменения последовательности белка. Это часто приводит к усеченному (в случае преждевременного стоп-кодона) и/или нефункциональному белку.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д Хендерсон И.Р., Оуэн П., Натаро Дж.П. (1999). «Молекулярные переключатели: включение и выключение бактериальных фазовых изменений» . Мол Микробиол . 33 (5): 919–32. дои : 10.1046/j.1365-2958.1999.01555.x . ПМИД 10476027 .
- ^ Перейти обратно: а б Компакт-диск Бэйлисса (2009). «Детерминанты скорости фазовых изменений и влияние различных скоростей на приспособленность для бактериальных патогенов и комменсалов» . FEMS Микробиол Ред . 33 (3): 504–520. дои : 10.1111/j.1574-6976.2009.00162.x . ПМИД 19222587 .
- ^ Перейти обратно: а б с Вишневски-Дай Ф, Флакон Л (2008). «Фаза и антигенные вариации, опосредованные модификациями генома». Антони ван Левенгук . 94 (4): 493–515. дои : 10.1007/s10482-008-9267-6 . ПМИД 18663597 . S2CID 25378695 .
- ^ Галли Д.Л., Боган Дж.А., Эйзенштейн Б.И., Бломфилд И.С. (1993). «Экологическая регуляция фимбриального переключателя, контролирующего изменение фимбриальной фазы типа 1 в Escherichia coli K-12: влияние температуры и среды» . J Бактериол . 175 (19): 6186–93. дои : 10.1128/jb.175.19.6186-6193.1993 . ПМК 206713 . ПМИД 8104927 .
- ^ Перейти обратно: а б с д ван дер Вауде М.В., Боймлер А.Дж. (2004). «Фаза и антигенная изменчивость бактерий» . Клин Микробиол Ред . 17 (3): 581–611. doi : 10.1128/CMR.17.3.581-611.2004 . ПМЦ 452554 . ПМИД 15258095 .
- ^ Хиггинс Б.П., Карпентер К.Д., Карлс А.С. (2007). «Хромосомный контекст определяет высокочастотное точное удаление IS492 у Pseudoalteromonas atlantica» . Proc Natl Acad Sci США . 104 (6): 1901–1906. дои : 10.1073/pnas.0608633104 . ПМЦ 1794265 . ПМИД 17264213 .
- ^ ван дер Вауд М.В., Хендерсон И.Р. (2008). «Регуляция и функция Ag43 (грипп)». Анну Рев Микробиол . 62 : 153–169. дои : 10.1146/annurev.micro.62.081307.162938 . ПМИД 18785838 .
- ^ Торрес-Круз Дж., ван дер Вауде М.В. (2003). «Неправильное спаривание цепей может функционировать как механизм фазовых изменений в Escherichia coli» . J Бактериол . 185 (23): 6990–6994. дои : 10.1128/JB.185.23.6990-6994.2003 . ПМЦ 262711 . ПМИД 14617664 .
- ^ ван Хэм С.М., ван Альфен Л., Муи Ф.Р., ван Путтен Дж.П. (1993). «Фазовое изменение фимбрий H. influenzae: транскрипционный контроль двух дивергентных генов посредством вариабельной комбинированной области промотора». Клетка . 73 (6): 1187–96. дои : 10.1016/0092-8674(93)90647-9 . ПМИД 8513502 . S2CID 40980720 .