ФНР регулон
Ген fnr ( фумарат- и нитратредуктаза ) Escherichia coli кодирует активатор транскрипции ( FNR ), который необходим для экспрессии ряда генов, участвующих в анаэробных дыхательных путях. Белок FNR (дефектный по фумарата и нитрата необходимый восстановлению ) E. coli представляет собой кислородчувствительный регулятор транскрипции, для переключения с аэробного на анаэробный метаболизм. [ 1 ] .
«Мутанты типа III, первоначально frdB , были обозначены как fnr, потому что они были дефектны в восстановлении фумаратов и нитратов и ухудшены в их способности производить газ». - Ламбден и Гест, 1976 г., Журнал общей микробиологии, 97 , 145–160. [ 1 ]
Ген fnr экспрессируется как в аэробных, так и в анаэробных условиях и подвергается ауторегуляции и репрессии под действием глюкозы , особенно во время анаэробного роста.
Функциональное состояние FNR определяется (быстрой) инактивацией FNR O 2 и медленной (постоянной) реактивацией с глутатионом в качестве восстановителя. [ 2 ]
Регуляция FNR кислородом
[ редактировать ]Только в том случае, если ни O 2 , ни нитраты фумаратредуктаза и ферментативные ферменты недоступны, синтезируются . Переход от аэробного дыхания или ферментации к нитратному и фумаратному соответствует прогрессивному снижению выхода АТФ. Эта регуляция обеспечивает преимущественное использование акцепторов электронов с высокими выходами АТФ и осуществляется регуляторами, реагирующими на O 2 , нитрат и фумарат . [ нужна ссылка ]
Наличие кислорода
[ редактировать ]Сенсорный домен FNR содержит кластер Fe-S, принадлежащий [4Fe-4S] 2+ типа в анаэробных условиях. Кислород доставляется к цитоплазматическому FNR путем диффузии и инактивирует FNR путем прямого взаимодействия. Кластер Fe-S преобразуется в [3Fe-4S] + или [2Fe-4S] + кислородом, что приводит к инактивации FNR. [ 3 ] После длительной инкубации с кислородом кластер Fe-S разрушается путем превращения в кластер [2Fe-2S] и, наконец, в апоFNR. [ нужна ссылка ]
Отсутствие кислорода
[ редактировать ]Взаимное преобразование активного и неактивного FNR является обратимым процессом . Кислород-чувствительный домен FNR содержит экспонированный на поверхности кластер Fe-S, который может реагировать с клеточными восстановителями, такими как глутатион или тиоловые белки . IscS Изофермент (ген iscS) является одним из важнейших условий образования [4Fe–4S].FNR in vivo. [ 4 ] Образование [4Fe–4S] FNR из апоFNR является частью синтеза активных FNR de novo. Для реакции требуется цистеиндесульфураза, которая катализирует десульфурацию цистеина, обеспечивая HS- (предположительно через связанный с ферментом персульфид) для образования кластера FeS. Неизвестно, поддерживает ли глутатион также превращение [2Fe–2S] FNR в [4Fe–4S] FNR. В бескислородных условиях [4Fe-4S] FNR, связанный с 4 остатками цистеина, связывается с сайтами-мишенями ДНК и контролирует экспрессию соответствующих генов. Целевая последовательность ДНК, называемая Fnr-боксом, имеет следующую консенсусную последовательность TTGATNNNNNATCAA и расположена выше Fnr-зависимых генов и оперонов. В условиях низкого содержания кислорода димер FNR E. coli распознает эту последовательность и действует как активатор транскрипции. [ 5 ] [ 6 ]
Кислород является фактическим сигналом для FNR, тогда как; сокращение служит постоянным переводом FNR в активное состояние. Однако для инактивации FNR требуется только окислитель , а не обязательно сам кислород. Феррицианид способен in vivo и in vitro способствовать инактивации функции FNR или разрушению [4Fe–4S].FNR посредством окисления кластера. [ 7 ]
Гены, регулируемые FNR
[ редактировать ]FNR представляет собой главный переключатель, который гарантирует, что аэробное дыхание используется вместо анаэробного дыхательного метаболизма или ферментации просто потому, что важные анаэробные гены не экспрессируются, если FNR не находится в активной (анаэробной) форме. FNR — очень важный транскрипционный фактор, участвующий в регуляции синтеза многих генов. [ 8 ] Важные группы генов E. coli, регулируемых FNR.
| Функция генных продуктов | Пример |
|---|---|
| Дыхательные ферменты | бескислородная, кислородная фумаратредуктаза (frdABCD) |
| Трансмембранные носители | Выброс нитритов (нарК) |
| Анаэробный катаболизм | ферментация Пируватформиат-лиаза (pflA) |
| Генные регуляторы | ArcA, FNR, (NarX) |
Активный белок FNR активирует и репрессирует гены- мишени в ответ на анаэробиоз. Он также подавляет аэробные гены, цитохром d и о-оксидазу и НАДН-дегидрогеназу II. Он действует как положительный регулятор генов, экспрессируемых в анаэробных условиях ферментации, таких как аспартаза, формиат гидрогеназа, фумаратредуктаза и пируватформиат лиаза. [ 9 ]
Регулирование системы ArcA
[ редактировать ]Дуга А регулируется FNR в анаэробных условиях. Анаэробная активация транскрипции arcA увеличивается в 3-4 раза в присутствии Fnr. Вышестоящая регуляторная область arcA содержит пять предполагаемых промоторных последовательностей и предполагаемый сайт связывания Fnr. Идентификация сайтов начала транскрипции указывает на то, что транскрипция происходит в аэробиозе с трех конститутивных вышележащих промоторов (Pe , Pd , Pc ) . дополнительный полностью Fnr-зависимый транскрипт, начинающийся с Pa . При анаэробиозе присутствует Оба этих гена затем отрицательно регулируют ген sodA, кодирующий супероксиддисмутазу марганца. [ 10 ]
Регулирование системы NarX/NarL
[ редактировать ]Продукт гена fnr, плейотропный активатор транскрипции , необходим для экспрессии оперонов , кодирующих нитрат- и фумарат-редуктазные комплексы. FNR, эффективный респираторный оксидант, индуцирует синтез нитратных дыхательных ферментов и одновременно подавляет синтез ферментов дыхания акцепторов с более низким потенциалом. [ нужна ссылка ]
У Escherichia coli анаэробная экспрессия генов, кодирующих нитратную (narGHJI) и диметилсульфоксидную (dmsABC) концевые редуктазы, стимулируется глобальным анаэробным регулятором - FNR. Было высказано предположение, что способность FNR активировать инициацию транскрипции зависит от белок-белковых взаимодействий между РНК-полимеразой и двумя активирующими областями (AR) FNR, FNR-AR1 и FNR-AR3. Кроме того, в присутствии активированного narL эффект связывания FNR с РНКП значительно снижается. [ 11 ]
Эукариотическая система, имеющая гомолог FNR
[ редактировать ]В Fusarium oxysporum , члене семейства грибов , содержится уникальный цитохром P-450, гены которого при секвенировании обнаруживают ту же последовательность, что и сайт связывания FNR, ДНК-связывающего O2. -сенсорный белок, который положительно регулирует экспрессию гипоксических сайтов в E. coli. Эти результаты открывают интересную возможность того, что экспрессия грибковой системы денитрификации также регулируется набором механизмов, т.е. комбинацией FNR-подобной системы и системы, реагирующей на нитрат/нитрит. [ 12 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Ламбден, PR; Гость, JRYR 1976 (1976). «Мутанты Escherichia coliK12 не способны использовать фумарат в качестве анаэробного акцептора электронов» . Микробиология . 97 (2): 145–160. дои : 10.1099/00221287-97-2-145 . ISSN 1465-2080 . ПМИД 796407 .
{{cite journal}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ) - ^ Кислород-чувствительный регулятор транскрипции FNR Escherichia coli: поиск сигналов и реакций: Готфрид Унден; Ян Ширавский. Молекулярная микробиология 25: 205-210. 1997.
- ^ Хорошилова Наталья; Попеску, Кодрина; Мунк, Экард; Бейнерт, Хельмут; Кили, Патрисия Дж. (10 июня 1997 г.). «Разборка железо-серного кластера в белке FNR Escherichia coli путем превращения O2: [4Fe-4S] в [2Fe-2S] с потерей биологической активности» . Труды Национальной академии наук . 94 (12): 6087–6092. Бибкод : 1997PNAS...94.6087K . дои : 10.1073/pnas.94.12.6087 . ISSN 0027-8424 . ПМК 21006 . ПМИД 9177174 .
- ^ Цистеиндесульфураза, IscS, играет важную роль в формировании кластера Fe-S in vivo в Escherichia coli. Schwartz et al. Proc Natl Acad Sci США A.97. 2000 г.
- ^ Грин, Джеффри; Трагезер, Мартин; Шесть, Стефан; Унден, Готфрид; Гость, Джон Р. (22 мая 1991 г.). «Характеристика белка FNR Escherichia coli, железосвязывающего регулятора транскрипции» . Труды Лондонского королевского общества. Серия Б: Биологические науки . 244 (1310): 137–144. дои : 10.1098/rspb.1991.0062 . ПМИД 1679548 . S2CID 33300873 .
- ^ Да, РВ; Хаас, Д; Ка, ДЖО; Кришнапиллай, В; Циммерманн, А; Бэрд, К; Тидже, Дж. М. (1 июня 1995 г.). «Анаэробная активация всего пути денитрификации у Pseudomonas aeruginosa требует Anr, аналога Fnr» . Журнал бактериологии . 177 (12): 3606–3609. дои : 10.1128/jb.177.12.3606-3609.1995 . ПМК 177071 . PMID 7768875 .
- ^ Контроль функции FNR Escherichia coli с помощью O 2 и условия восстановления: Г. Унден, С. Ачебах, Г. Холигхаус, Х.-К. Тран, Б. Ваквиц и Ю. Цойнер. Дж. Мол. Микробиол. Биотехнология. 4:263-268. 2002.
- ^ Переоценка регулона FNR и транскриптомный анализ эффектов нитратов, нитритов, NarXL и NarQP по мере того, как Escherichia coli K12 адаптируется от аэробного к анаэробному росту: Кристала Константиниду, Джон Л. Хобман, Лесли Гриффитс, Мала Д. Патель, Чарльз У. Пенн, Джеффри А. Коул и Тим В. Овертон. ЖУРНАЛ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ХИМИИ. 281: 4802–4815. 2006.
- ^ Экспрессия генов, регулируемая кислородом, в Escherichia coli: Лекция на премию Марджори Стивенсон 1992 года, ДЖОН Р. ГЕСТ. Журнал общей микробиологии. 138, 2253-2263. 1992 год
- ^ Анаэробная активация транскрипции arcA в Escherichia coli: роли Fnr и ArcA: Inès Company, Danlèle Touati. Молекулярная микробиология. 11: 955–964. 1994.
- ^ FNR-зависимая активация промоторов dmsA и narG класса II Escherichia coli требует FNR-активирующих областей 1 и 3 - Карин Э. Ламберг, Патрисия Дж. Кили
- ^ Ген цитохрома P-450 редуктазы азота, CYP 55, гриба Fusarium oxysporum, содержащий потенциальный сайт связывания для FNR, фактора транскрипции, участвующего в регуляции анаэробного роста Escherichia coli : Дайсуке Томура, Энджи Обика, Киёси Фукамидзу и Ирофуми Шоун. Журнал биохимии. 116:88-94. 1994.