Jump to content

Кобаламин рибопереключатель

Кобаламин рибопереключатель
Идентификаторы
Символ Кобаламин
Рфам RF00174
Другие данные
РНК Тип Цис-рег ; рибопереключатель
Домен(ы) Бактерии
ТАК ТАК: 0000035
PDB Структуры ПДБе 6ВМЫ

Кобаламин рибопереключатель представляет собой цис-регуляторный элемент , который широко распространен в 5'-нетранслируемых областях генов, связанных с витамином B 12 (кобаламин), у бактерий . [ 1 ]

кобаламина (витамин B 12 , коэнзим B 12 ) Рибопереключатели представляют собой структурированные элементы РНК, которые регулируют соседние гены, связанные с метаболизмом кобаламина в ответ на связывание кобаламина. Рибопереключатели представляют собой генетические регуляторные элементы на основе РНК, присутствующие в 5'-нетранслируемой области (5'UTR) преимущественно бактериальной РНК. Эти переключатели связываются с лигандом , который обычно является метаболитом , обладающим высоким сродством и специфичностью. Связывание лиганда опосредует аллостерическую перестройку структуры мРНК, что приводит к модуляции экспрессии генов или трансляции мРНК с образованием белка. Рибопереключатель кобаламин, как и большинство других рибопереключателей, является цис-регуляторным . Это означает, что они регулируют гены, участвующие в тех же метаболических путях, что и метаболит, с которым они связываются, что создает регуляцию посредством петли отрицательной обратной связи . Рибопереключатели сгруппированы в классы по лиганду, с которым они связываются, поскольку лигандсвязывающий или аптамерный домен высоко консервативен у разных видов. Рибопереключатели, в том числе рибопереключатель кобаламин, в последнее время привлекли большое внимание благодаря своему терапевтическому и синтетическому потенциалу. [ 2 ] а также их интересные структурные свойства. [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] По состоянию на 2019 год рибопереключатели кобаламина были идентифицированы более чем у 5000 видов бактерий. [ 2 ]

Лигандная селективность

[ редактировать ]

Кобаламиновые рибопереключатели связывают кобаламин (витамин B12), который представляет собой сложный кофактор фермента, состоящий из корринового кольца , координированного с ионом кобальта (III). В альфа-аксиальном положении кобальт координируется с диметилбензимидазольным фрагментом, прикрепленным к корриновому кольцу через гибкий аминопропаноловый линкер. [ 6 ] [ 7 ] Активная часть кофактора находится в бета-аксиальном положении. Метилкобаламин (MeCbl) и аденозилкобаламин (AdoCbl) представляют собой биологически активные формы кобаламина, содержащие метильную группу и аденозильный фрагмент в бета-аксиальном положении соответственно. [ 6 ] Гидроксокобаламин (HyCbl) с гидроксильной группой в бета-аксиальном положении образуется в результате фотолиза кобаламина и присутствует в биологических условиях, но не находится в активной форме. Цианокобаламин (CyCbl) — это искусственная форма кобаламина, содержащаяся в добавках, которую можно преобразовать в активные формы кобаламина. Кобаламиновые рибопереключатели могут проявлять селективность по отношению к различным формам кобаламина. [ 6 ]

Структура и классы

[ редактировать ]

Рибопереключатели , включая рибопереключатель кобаламин, обычно состоят из лигандсвязывающего или аптамерного домена и платформы экспрессии. Связывание лиганда вызывает аллостерическую структурную перестройку платформы экспрессии, что приводит к регуляции экспрессии генов посредством механизмов транскрипции или трансляции . [ 4 ] [ 8 ]

Класс I (Cbl-I)

[ редактировать ]

Рибопереключатели кобаламина в общих чертах классифицируются по идентичности аптамера, но могут быть далее классифицированы на класс I (Cbl-I) и класс II (Cbl-II) на основе селективности аналога кобаламина и периферических структурных элементов. [ 6 ] Рибопереключатели Cbl-I и Cbl-II имеют общий консервативный рецепторный домен, состоящий из четырехстороннего соединения и регуляторного домена. Рибопереключатели Cbl-I селективны в отношении AdoCbl , с изменчивой структурой периферической стволовой петли , способствующей специфичности лиганда. [ 6 ] [ 9 ] Более 90% рибопереключателей кобаламина, идентифицированных до 2003 года, представляют собой рибопереключатели Cbl-I. [ 10 ]

Класс IIа (Cbl-IIa)

[ редактировать ]
Рибопереключатели, связанные с VB 12 , с кодами PDB: а) 4FRN б) 6VMY в) 4FRG г) 4GMA

Cbl-II можно разделить на два класса (Cbl-IIa и Cbl-IIb). Рибопереключатели Cbl-IIa специфичны для аналогов кобаламина с меньшими β-аксиальными лигандами , включая MeCbl и HyCbl . [ 6 ] [ 9 ] Эта селективность определяется вариациями периферийных элементов. [ 6 ]

Класс IIb (Cbl-IIb)

[ редактировать ]

Рибопереключатели Cbl-IIb также селективны в отношении AdoCbl . [ 6 ] [ 9 ] но по структуре они существенно отличаются от рибопереключателей Cbl-I. Структурная основа селективности AdoCbl еще не определена. [ 6 ] Рибопереключатели Cbl-IIb также различаются по природе генов , которые они регулируют: рибопереключатели Cbl-IIb в первую очередь связаны с генами, участвующими в утилизации этаноламина. [ 6 ] Этаноламин широко распространен в кишечном тракте человека , поскольку он является продуктом распада фосфатидилэтаноламина из клеточных мембран , а также присутствует в обработанных пищевых продуктах. Большинство бактерий , населяющих кишечный тракт, могут использовать этаноламин в качестве углерода и азота источника за счет усиления экспрессии генов утилизации этаноламина ; это может иметь преимущество в выживании. [ 11 ] На экспрессию генов утилизации этаноламина (eutG) влияют два разных механизма. Первый представляет собой двухкомпонентную регуляторную систему , которая определяет присутствие этаноламина, а второй механизм представляет собой рибопереключатель AdoCbl , который определяет присутствие AdoCbl, кофактора, необходимого для расщепления этаноламина. Исследование показало, что для эффективного роста бактерий на среде, содержащей этаноламин, необходимо активировать оба этих регуляторных элемента. [ 12 ] Биоинформатические исследования изначально не увенчались успехом в идентификации рибопереключателей AdoCbl в геномах бактерий , но последующие исследования межгенных областей локуса eutG с использованием Ribex выявили элемент РНК между генами eutT и eutG. [ 1 ] [ 13 ]

Кроме того, некоторые рибопереключатели кобаламина демонстрируют беспорядочное связывание лигандов, например рибопереключатель yvrC B. subtilis , который может принимать различные структурные конформации для связывания аналогов кобаламина с меньшими β-аксиальными лигандами, такими как MeCbl и HyCbl, в дополнение к AdoCbl , который гораздо более объемный β-аксиальный фрагмент. [ 9 ] Этот рибопереключатель также способен связывать CyCbl . [ 9 ]

Открытие

[ редактировать ]

До доказательства функции рибопереключателя использовался консервативный B 12. мотив последовательности, называемый блоком [ 14 ] было идентифицировано, что соответствует части кобаламинового рибопереключателя, [ 1 ] и была идентифицирована более полная консервативная структура . [ 10 ] [ 8 ] Были идентифицированы варианты консенсуса рибопереключателя. [ 15 ] До того, как был идентифицирован более широкий спектр рибопереключателей кобаламина, считалось, что существуют только рибопереключатели AdoCbl . [ 10 ]

Механизм

[ редактировать ]

Механизмы отдельных рибопереключателей кобаламина могут различаться, и многие из них еще не выяснены. [ 16 ] Четыре канонических механизма рибопереключателей включают активацию или репрессию транскрипции и активацию или репрессию трансляции. [ 17 ] [ 16 ] При активации транскрипции терминаторная петля, которая блокирует сайт связывания РНК-полимеразы, присутствует в отсутствие лиганда, а при связывании лиганда образуется антитерминаторная петля, и шпилька терминатора удаляется. Терминация транскрипции происходит, когда в присутствии лиганда образуется терминаторная ножковая петля. Регуляция посредством активации трансляции происходит, когда последовательность Шайна-Дальгарно (SD), необходимая для связывания рибосомы с мРНК и инициации трансляции, секвестрируется внутри третичных структурных элементов, когда лиганд несвязан, и становится доступной после того, как рибопереключатель подвергается лиганд-переключателю. индуцированные конформационные изменения. При репрессии трансляции SD секвестрируется при связывании лиганда. [ 18 ] [ 16 ] Подтверждено, что рибопереключатель btuB AdoCbl E. coli регулирует экспрессию генов посредством механизма репрессии трансляции, а также рибопереключатель env8 HyCbl. [ 16 ]

Регулируемые гены

[ редактировать ]

Известно, что рибопереключатель кобаламина регулирует широкий спектр генов, участвующих в метаболизме кобаламина, включая гены, кодирующие белки, участвующие в биосинтезе и транспорте кобаламина. [ 19 ] Примеры включают регуляцию гена btuB в E. coli, который кодирует белок-переносчик кобаламина, [ 1 ] регуляция CobA, фермента, который превращает уропорфириноген III в прекоррин-2 во время биосинтеза кобаламина у P. freudenreichiii, 1998. [ 20 ] и оперон биосинтеза кобаламина (cob) у S. typhimurium. [ 21 ] среди других.

Приложения

[ редактировать ]

В качестве мишени для наркотиков

[ редактировать ]

Возникающая угроза устойчивости к антибиотикам подчеркивает необходимость разработки новых антибиотиков . [ 17 ] рибопереключатели , включая рибопереключатели кобаламина, в настоящее время исследуются в качестве потенциальных мишеней для новых антибиотиков. [ 2 ] Они не только регулируют важные метаболические процессы, но и в основном обнаруживаются у прокариот . На сегодняшний день в некоторых растительных клетках идентифицирован только один рибопереключатель (рибопереключатель TPP), а в клетках млекопитающих рибопереключатели не обнаружены. [ 2 ] [ 3 ] Путем воздействия на специфичные для бактерий регуляторные механизмы минимизируется риск побочных эффектов у хозяина. [ 4 ] Более того, механизм связывания лиганда со своим рибопереключателем по своей сути отличается от того, как белок связывает тот же лиганд, что сводит к минимуму взаимодействие между двумя системами. [ 16 ]

Здесь показана базовая схема, где фиолетовые звезды обозначают метаболит, а желтая стрелка показывает репортерный ген. Клетки с меньшей концентрацией метаболита имеют больше рибопереключателей в несвязанном состоянии. Несвязанная конформация имеет неструктурированное взаимодействие между сайтом связывания рибосомы (RBS) и синим и зеленым сегментами. Это неструктурированное взаимодействие позволяет репортерному гену эффективно транслироваться ниже по течению и производить высокий выходной сигнал. При более высокой концентрации метаболита рибопереключатели образуют связанную конформацию, в которой синий сегмент рибопереключателя взаимодействует с целевой РНК. Вместо этого это позволяет зеленому сегменту взаимодействовать с RBS, и это позволяет RB ингибировать инициацию трансляции репортерного гена. Из-за этого выходной сигнал ниже, чем при низкой концентрации метаболита.

Биоинформатическое исследование , проведенное в 2019 году, в ходе которого были проанализированы восемь различных классов рибопереключателей на предмет пригодности в качестве мишеней для антибактериальных препаратов , классифицировало кобаламиновый рибопереключатель как частично подходящий для нацеливания на антибиотики. [ 2 ] По состоянию на 2019 год рибопереключатели кобаламина были обнаружены у 5174 видов бактерий, 7% из которых являются патогенами человека . [ 2 ] Разработка антибиотиков, нацеленных на рибопереключатель кобаламина , затруднена из-за того, что не все пути биосинтеза кобаламина регулируются рибопереключателями, а это означает, что антибиотики, нацеленные на рибопереключатель, необходимо будет использовать в сочетании с дополнительными препаратами, нацеленными на альтернативные синтетические пути, чтобы быть эффективными. . [ 2 ] По состоянию на 2021 год никаких терапевтических средств, воздействующих на рибопереключатель кобаламина, не разрабатывается. [ 5 ]

В качестве биосенсоров

[ редактировать ]

Рибопереключатели идеально подходят для использования в биосенсорах благодаря их способности подвергаться конформационному переключению при связывании со специфическими лигандами. [ 4 ] Эти сенсоры сконструированы с использованием рибопереключателя кобаламина перед геном, кодирующим репортерную молекулу. Природа репортерной молекулы может варьироваться в зависимости от желаемого метода обнаружения. Например, репортерный ген может кодировать зеленый флуоресцентный белок ( GFP ), когда желательны методы обнаружения на основе флуоресценции. [ 22 ] В присутствии лиганда рибопереключатель претерпевает конформационные изменения, которые блокируют сайт связывания рибосомы, останавливая транскрипцию репортерного гена .

В 2010 году исследователи разработали первый сенсор AdoCbl на основе рибопереключателя в E. coli . [ 4 ] Этот датчик также использовался для обнаружения биосинтетических предшественников витамина B 12 , таких как кобинамид, и подтверждения участия определенных генов в метаболизме кобаламина. [ 4 ] Совсем недавно этот сенсор использовался для скрининга Ensifer meliloti мутантов на предмет их способности синтезировать большие количества витамина B 12 . [ 22 ] Датчики рибопереключателя можно использовать вне клеточной среды. Например, биосенсор, разработанный на основе кобаламинового рибопереключателя Propionibacterium freudenreichii, был использован для определения концентрации витамина B 12 в ферментированных продуктах с высокой чувствительностью. [ 23 ]

  1. ^ Jump up to: а б с д Нахви А., Сударсан Н., Эберт М.С., Зоу Х, Браун К.Л., Брейкер Р.Р. (сентябрь 2002 г.). «Генетический контроль с помощью мРНК, связывающей метаболиты» . Химия и биология . 9 (9): 1043–1049. дои : 10.1016/S1074-5521(02)00224-7 . ПМИД   12323379 .
  2. ^ Jump up to: а б с д и ж г Павлова Н., Пенчовский Р. (июль 2019 г.). «Полногеномный биоинформатический анализ рибопереключателей FMN, SAM-I, glmS, TPP, лизина, пурина, кобаламина и SAH для их применения в качестве аллостерических антибактериальных лекарственных средств в патогенных бактериях человека». Мнение экспертов о терапевтических целях . 23 (7): 631–643. дои : 10.1080/14728222.2019.1618274 . ПМИД   31079546 . S2CID   153306189 .
  3. ^ Jump up to: а б Батей RT (апрель 2015 г.). «Рибопереключатели: еще много неизведанной страны» . РНК . 21 (4): 560–563. дои : 10.1261/rna.050765.115 . ПМЦ   4371280 . ПМИД   25780138 .
  4. ^ Jump up to: а б с д и ж Агдам Э.М., Хиджази М.С., Барзегар А. (ноябрь 2016 г.). «Рибопереключатели: от живых биосенсоров к новым мишеням антибиотиков». Джин . 592 (2): 244–259. дои : 10.1016/j.gene.2016.07.035 . ПМИД   27432066 .
  5. ^ Jump up to: а б Панчал В., Бренк Р. (январь 2021 г.). «Рибопереключатели как мишени для антибиотиков» . Антибиотики . 10 (1): 45. doi : 10.3390/antibiotics10010045 . ПМЦ   7824784 . ПМИД   33466288 .
  6. ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж Поласки Дж. Т., Вебстер С. М., Джонсон Дж. Э., Бэти Р. Т. (июль 2017 г.). «Кобаламиновые рибопереключатели демонстрируют широкий диапазон способности различать метилкобаламин и аденозилкобаламин» . Журнал биологической химии . 292 (28): 11650–11658. дои : 10.1074/jbc.M117.787176 . ПМК   5512062 . ПМИД   28483920 .
  7. ^ Осман Д., Кук А., Янг Т.Р., Дири Э., Робинсон Н.Дж., Уоррен М.Дж. (январь 2021 г.). «Потребность в кобальте в витамине B 12 : парадигма металлирования белка» . Biochimica et Biophysical Acta (BBA) - Исследования молекулярных клеток . 1868 (1): 118896. doi : 10.1016/j.bbamcr.2020.118896 . ПМЦ   7689651 . ПМИД   33096143 .
  8. ^ Jump up to: а б Баррик Дж. Э., Брейкер Р. Р. (12 ноября 2007 г.). «Распределение, механизмы и структуры рибопереключателей, связывающих метаболиты» . Геномная биология . 8 (11): 239 рэндов. дои : 10.1186/gb-2007-8-11-r239 . ПМК   2258182 . ПМИД   17997835 .
  9. ^ Jump up to: а б с д и Чан CW, Мондрагон А (июль 2020 г.). «Кристаллическая структура атипичного кобаламинового рибопереключателя показывает структурную адаптивность РНК как основу для беспорядочного связывания лигандов» . Исследования нуклеиновых кислот . 48 (13): 7569–7583. дои : 10.1093/nar/gkaa507 . ПМЦ   7367189 . ПМИД   32544228 .
  10. ^ Jump up to: а б с Витрещак А.Г., Родионов Д.А., Миронов А.А., Гельфанд М.С. (сентябрь 2003 г.). «Регуляция метаболизма и транспорта витамина B12 у бактерий консервативным структурным элементом РНК» . РНК . 9 (9): 1084–1097. дои : 10.1261/rna.5710303 . ПМК   1370473 . ПМИД   12923257 .
  11. ^ Рэндл К.Л., Альбро П.В., Диттмер Дж.К. (сентябрь 1969 г.). «Фосфоглицеридный состав грамотрицательных бактерий и изменения его состава в процессе роста». Biochimica et Biophysical Acta (BBA) - Липиды и липидный обмен . 187 (2): 214–220. дои : 10.1016/0005-2760(69)90030-7 . ПМИД   4898381 .
  12. ^ Дель Папа МФ, Перего М (ноябрь 2008 г.). «Этаноламин активирует сенсорную гистидинкиназу, регулирующую ее использование Enterococcus faecalis» . Журнал бактериологии . 190 (21): 7147–7156. дои : 10.1128/JB.00952-08 . ПМК   2580688 . ПМИД   18776017 .
  13. ^ Абреу-Гуджер С., Мерино Е (июль 2005 г.). «RibEx: веб-сервер для поиска рибопереключателей и других консервативных бактериальных регуляторных элементов» . Исследования нуклеиновых кислот . 33 (проблема с веб-сервером): W690–W692. дои : 10.1093/nar/gki445 . ПМК   1160206 . ПМИД   15980564 .
  14. ^ Франклунд К.В., Каднер Р.Дж. (июнь 1997 г.). «Множественные транскрибируемые элементы контролируют экспрессию гена btuB Escherichia coli» . Журнал бактериологии . 179 (12): 4039–4042. дои : 10.1128/jb.179.12.4039-4042.1997 . ПМК   179215 . ПМИД   9190822 .
  15. ^ Вайнберг З., Ван Дж. И., Бог Дж., Ян Дж., Корбино К., Мой Р. Х., Брейкер Р. Р. (15 марта 2010 г.). «Сравнительная геномика выявила 104 кандидата в структурированные РНК из бактерий, архей и их метагеномов» . Геномная биология . 11 (3): С31. дои : 10.1186/gb-2010-11-3-r31 . ПМЦ   2864571 . ПМИД   20230605 .
  16. ^ Jump up to: а б с д и Эдвардс А.Л., Бэти РТ (2010). «Рибопереключатели: общий регуляторный элемент РНК» . Природное образование . 3 (9): 9.
  17. ^ Jump up to: а б Пенчовский Р., Трайковская М. (июнь 2015 г.). «Разработка лекарств, преодолевающих резистентность к антибактериальным препаратам: где мы находимся и что нам следует делать?». Мнение экспертов об открытии лекарств . 10 (6): 631–650. дои : 10.1517/17460441.2015.1048219 . ПМИД   25981754 . S2CID   37080625 .
  18. ^ Ариса-Матеос А, Нутанаканти А, Серганов А (август 2021 г.). «Механизмы рибопереключателя: новые трюки для старой собаки» . Биохимия. Биохимия . 86 (8): 962–975. дои : 10.1134/S0006297921080071 . ПМЦ   8961697 . ПМИД   34488573 . S2CID   237431666 .
  19. ^ «Витамин В-12» . Клиника Мэйо . Проверено 03 декабря 2021 г.
  20. ^ Ли Дж., Ге Ю., Заде М., Кёртисс Р., Мохамадзаде М. (январь 2020 г.). «Регулирование биосинтеза витамина B12 с помощью рибопереключателя cbiM Cbl в штамме Propionibacterium UF1» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 117 (1): 602–609. Бибкод : 2020PNAS..117..602L . дои : 10.1073/pnas.1916576116 . ПМК   6955298 . ПМИД   31836694 .
  21. ^ Нахви А., Баррик Дж.Э., Брейкер Р.Р. (2004). «Рибопереключатели коэнзима B12 являются широко распространенными элементами генетического контроля у прокариот» . Исследования нуклеиновых кислот . 32 (1): 143–150. дои : 10.1093/nar/gkh167 . ПМЦ   373277 . ПМИД   14704351 .
  22. ^ Jump up to: а б Цай Ю, Ся М, Донг Х, Цянь Ю, Чжан Т, Чжу Б и др. (май 2018 г.). витамина B 12 «Разработка высокопроизводительной системы скрининга с помощью датчика рибопереключателя в Sinorhizobium meliloti» . БМК Биотехнология . 18 (1): 27. дои : 10.1186/s12896-018-0441-2 . ПМЦ   5948670 . ПМИД   29751749 .
  23. ^ Чжу X, Ван X, Чжан С, Ван X, Гу Ц (май 2015 г.). «Датчик рибопереключателя для определения витамина B12 в ферментированных продуктах». Пищевая химия . 175 : 523–528. doi : 10.1016/j.foodchem.2014.11.163 . ПМИД   25577115 .
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: ab205e5a995bf9a229c9bcb1bdf14bc8__1719780900
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/ab/c8/ab205e5a995bf9a229c9bcb1bdf14bc8.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Cobalamin riboswitch - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)