Гуанозинпентафосфат

Гуанозинпентафосфат
Имена
	Другие имена гуанозинпентафосфат (pppGpp), гуанозинтетрафосфат (ppGpp)
Идентификаторы
Номер CAS	32452-17-8 ;
Лекарственный Банк	ДБ04022 ;
ПабХим CID	766 ;
Характеристики
Химическая формула	С 10 Ч 18 Н 5 О 20 П 5
Молярная масса	683.14 g·mol −1
	Если не указано иное, данные приведены для материалов в стандартном состоянии (при 25 °C [77 °F], 100 кПа). Ссылки на инфобоксы

(p)ppGpp , гуанозинпентафосфат и тетрафосфат , также известные как нуклеотиды «магического пятна» , ^{[ 1 ]} участвуют Аллармоны в жесткой реакции бактерий , вызывая ингибирование синтеза РНК при недостатке аминокислот . Это ингибирование с помощью (p)ppGpp уменьшает трансляцию в клетке, сохраняя присутствующие аминокислоты . Кроме того, ppGpp и pppGpp вызывают активацию многих других генов, участвующих в реакции на стресс, таких как гены поглощения аминокислот (из окружающей среды ) и биосинтеза . ^{[ 2 ]}

Открытие

ppGpp и pppGpp были впервые идентифицированы Майклом Кашелом в 1969 году. ^{[ 3 ]} Было обнаружено, что эти нуклеотиды быстро накапливаются в клетках Escherichia coli, лишенных аминокислот, и ингибируют синтез рибосомальных и транспортных РНК. ^{[ 4 ]} Теперь известно, что (p)ppGpp также вырабатывается в ответ на другие стрессоры, включая углеродное и фосфатное голодание. Исторически литература, посвященная (p)ppGpp, давала противоречивые данные и информацию о его роли в реакциях бактериального стресса. ^{[ 5 ]}

Отсутствие (p)ppGpp

Показано, что E.coli более чувствительна к накоплению гуанозинтетрафосфата, чем гуанозинпентафосфата. ^{[ 6 ]} Полное отсутствие (p)ppGpp вызывает потребность во множестве аминокислот, плохую выживаемость старых культур, аберрантное деление клеток, морфологию и неподвижность, а также блокировку режима роста во время голодания.

Синтез и деградация (p)ppGpp

Синтез и деградация (p)ppGpp наиболее подробно охарактеризованы на модельном бактериальном организме Escherichia coli.

Роль RelA в синтезе (p)ppGpp

(p)ppGpp создается с помощью синтазы pppGpp , также известной как RelA, и преобразуется из pppGpp в ppGpp с помощью фосфогидролазы pppGpp. RelA связан примерно с каждой из двухсот рибосом и активируется, когда незаряженная молекула транспортной РНК (тРНК) входит в сайт А рибосомы из-за нехватки аминокислоты, необходимой тРНК. Если мутантная бактерия является relA ⁻ Говорят, что он расслаблен, и регуляции производства РНК из-за отсутствия аминокислот не наблюдается.

Роль SpoT в деградации (p)ppGpp

E. coli продуцирует второй белок, ответственный за деградацию (p)ppGpp, SpoT . Когда аминокислотный баланс в клетке восстанавливается, (p)ppGpp гидролизуется SpoT и возвращается в более энергетически выгодное состояние. Этот белок также обладает способностью синтезировать (p)ppGpp и, по-видимому, является первичной синтазой в определенных условиях стресса. Большинство других бактерий кодируют один белок, который отвечает как за синтез, так и за деградацию (p)ppGpp, обычно гомологов SpoT.

Цели (p)ppGpp

Мишенью (p)ppGpp являются рРНК опероны семь , которых в E.coli , и все они имеют по 2 промотора . Когда (p)ppGpp связывается с промотором, это влияет на РНК-полимеразы способность фермента связываться и инициировать транскрипцию . Считается, что (p)ppGpp может влиять на стабильность открытого комплекса, образуемого РНК-полимеразой на ДНК, и, следовательно, влиять на клиренс промотора. Его присутствие также приводит к увеличению пауз во время элонгации транскрипции и конкурирует с нуклеозидтрифосфатными субстратами .

В настоящее время существует консенсус в отношении того, что (p)ppGpp является определяющим фактором контроля скорости роста, а не концентрации субстрата нуклеозидтрифосфата (NTP).

Влияние (p)ppGpp на физиологию бактерий

Подавление роста за счет ингибирования синтеза белка

ppGpp ингибирует IF2-опосредованное образование дипептида инициации fMet-Phe, вероятно, препятствуя взаимодействиям субъединиц 30S и 50S. E. coli накапливает больше ppGpp, чем pppGpp во время аминокислотного голодания, а эффективность ppGpp примерно в 8 раз выше, чем у pppGpp. В то время как B. subtilis накапливает больше pppGpp, чем ppGpp.

Ингибирование репликации ДНК

У E. coli аминокислотное голодание подавляло репликацию ДНК на стадии инициации oriC, скорее всего, из-за отсутствия белка инициации репликации DnaA. У B. subtilis остановка репликации из-за накопления (p)ppGpp вызвана связыванием белка Rtp со специфическими сайтами, находящимися примерно в 100-200 т.п.н. от oriC в обоих направлениях. ДНК-примаза (DnaG) напрямую ингибировалась (p)ppGpp. В отличие от E. coli, B. subtilis накапливает больше pppGpp, чем ppGpp; более распространенный нуклеотид является более сильным ингибитором DnaG. ppGpp может связываться с белком Obg, который принадлежит к консервативному семейству малых белков ГТФазы. Белок Obg взаимодействует с несколькими регуляторами (RsbT, RsbW, RsbX), необходимыми для стрессовой активации сигмы B.

Влияние на репликацию и развитие фага

Уровни (p)ppGpp хозяина, по-видимому, действуют как сенсор развития фага лямбда, в первую очередь влияя на транскрипцию. Умеренные уровни ppGpp ингибируют pR и активные промоторы pE, pI и paQ in vivo и оказывают эффекты in vitro, которые, по-видимому, способствуют лизогении. Напротив, отсутствие или высокие концентрации (p)ppGpp способствуют лизису. Умеренные уровни ppGpp благоприятствуют лизогении, приводя к низкому уровню HflB (FtsH). Когда ppGpp отсутствует или высок, уровни протеазы HflB высоки; это приводит к снижению CII (фагового белка, способствующего лизогении) и способствует лизису.

Влияние на транскрипцию

Характеристики затронутых промоторов

Одним из ключевых элементов промоторов, ингибируемых (p)ppGpp, является наличие GC-богатого дискриминатора, определяемого как область между ТАТА-боксом (-10-бокс) и +1 нт (где +1 — сайт начала транскрипции). . Промоторы, отрицательно регулируемые ppGpp, имеют линкер длиной 16 п.н., в отличие от консенсусного варианта размером 17 п.н. Промоторы, активированные ppGpp, по-видимому, имеют богатый AT дискриминатор и задерживающиеся линкеры (например, линкер его промотора имеет длину 18 п.о.).

РНКП является целью

Генетические данные, свидетельствующие о том, что РНКП была мишенью ppGpp, были получены в результате открытия того, что мутанты M + (также называемые строгими мутантами РНКП) демонстрируют in vitro и in vivo мимику физиологии и регуляции транскрипции, обеспечиваемую (p)ppGpp, даже в его отсутствие. Связывание ppGpp с RNAP подтвердило это мнение. Структурные детали ассоциации между ppGpp и RNAP были получены в результате анализа сокристаллов, которые располагали ppGpp во вторичном канале RNAP рядом с каталитическим центром.

DksA усиливает регулирование

DksA представляет собой белок массой 17 кДа, его структура аналогична GreA и GreB, которые являются хорошо изученными факторами элонгации транскрипции . GreA и GreB связываются непосредственно с РНКП, а не с ДНК, и действуют путем вставки своего N-концевого домена со спиральной спиралью через вторичный канал РНКП. Два консервативных кислотных остатка на кончике домена пальца необходимы для того, чтобы индуцировать внутреннюю способность РНКП расщеплять РНК с обратным маршрутом. DksA также имеет два кислотных остатка на кончике пальца, но не индуцирует активность нуклеолитического расщепления. Вместо этого предполагается, что эти остатки стабилизируют связывание ppGpp с РНКП путем взаимной координации иона Mg2+, который имеет решающее значение для полимеризации.

Ингибирование и активация транскрипции

ppGpp напрямую ингибирует транскрипцию с рибосомальных промоторов. Одной из моделей является то, что ppGpp и DksA вместе и независимо снижают стабильность открытых комплексов, образуемых на ДНК с помощью РНКП. Другая модель — механизм ловушки. В этой модели РНКП захватывается ppGpp в закрытые комплексы и не может инициировать транскрипцию. Таким образом, ppGpp, по-видимому, действует на многих уровнях, и механизм его действия представляет собой сложный результат действия нескольких факторов, причем внутренние свойства промотора не являются последним из них. Активация транскрипции с помощью ppGpp может быть прямой или непрямой. Прямая активация происходит, когда РНКП взаимодействует с эффекторами, такими как ppGpp, DksA или с ними обоими, для увеличения транскрипции с данного промотора. Непрямая активация этими эффекторами одного промотора зависит от ингибирования других (сильных) промоторов, что приводит к увеличению доступности РНКП, которая косвенно активирует инициацию транскрипции. Промоторы, которые активируются непосредственно ppGpp, включают PargI , P thrABC , PlivJ и P hisG . К промоторам непрямой активации относятся зависящие от сигма-факторов: S, H, N, E. Когда сильные промоторы, такие как rrn ингибируются, для этих альтернативных сигма-факторов доступно больше РНКП.

Патогенез и (p)ppGpp

Когда (p)ppGpp отсутствует, патогенность снижается по причинам, которые различаются в зависимости от изучаемого организма. Удаление rel A и spo генов T, но не только rel A, дало (p)ppGpp ⁰ состояние, которое привело к сильному ослаблению активности у мышей и неинвазивности in vitro. Тесты вакцины показали, что через 30 дней после однократной иммунизации (p)ppGpp ⁰ штамма, мыши были защищены от заражения сальмонеллой дикого типа в дозе 10 ⁶-кратно выше установленного ЛД ₅₀ .

Накопление полифосфатов

Было высказано предположение, что повышенный синтез (p)ppGpp может вызвать накопление полифосфата (PolyP) в E. coli . ^{[ 7 ]} Алармон может взаимодействовать с экзополифосфатазой PPX , которая ингибирует гидролиз PolyP, вызывая тем самым его накопление в бактериях. Хотя недавно было показано, что на самом деле это накопление вызывает именно DksA, а не (p)ppGpp. ^{[ 8 ]} было показано У Pseudomonas aeruginosa , что мутант phoU ( phoU принадлежит к Pho Regulon ) синтезирует больше (p)ppGpp, и это может быть одной из причин того, что он накапливает больше полифосфата. ^{[ 9 ]}

Ссылки

^ Адамс, генеральный директор; Филлипс, DO; Николс, Джози М.; Карр, Нью-Йорк (1 сентября 1977 г.). «Наличие и отсутствие модуляции нуклеотидов магического пятна у цианобактерий, претерпевающих сдвиг питания вниз» . Письма ФЭБС . 81 (1): 48–52. дои : 10.1016/0014-5793(77)80925-3 . ПМИД 409622 . S2CID 12110840 .
^ Шриватсан, А.; Ван, доктор юридических наук (2008). «Контроль бактериальной транскрипции, трансляции и репликации с помощью (p) ppGpp». Современное мнение в микробиологии . 11 (2): 100–105. дои : 10.1016/j.mib.2008.02.001 . ПМИД 18359660 .
^ Кашел, Майкл; Галлант, Джонатан (март 1969 г.). «Два соединения, участвующие в функции гена RC Escherichia coli» . Природа . 221 (5183): 838–841. Бибкод : 1969Natur.221..838C . дои : 10.1038/221838a0 . ISSN 1476-4687 . ПМИД 4885263 . S2CID 4146964 .
^ Кашел М., Джентри Д.Р., Эрнандес В.Х., Винелла Д.: Строгий ответ. В Escherichia coli и Salmonella : клеточная и молекулярная биология, изд. 2. Под редакцией Нейдхардта Ф.К., Кертисса III Р., Ингрэма Дж.Л., Лин ЕСК, Лоу КБ, Магасаника Б., Резникова В.С., Райли М., Шехтера М., Умбаргера HE.ASM Press; 1996.
^ Пасиос, Ольга; Бласко, Люсия; Блерио, Инес; Фернандес-Гарсия, Лаура; Амвросий, Энтони; Лопес, Мария; Батт, немецкий; Кантон, Рафаэль; Гарсиа-Контрерас, Родольфо; Вуд, Томас К.; Томас, Мария (21 сентября 2020 г.). «(p)ppGpp и его роль в устойчивости бактерий: новые проблемы» . Антимикробные средства и химиотерапия . 64 (10): e01283–20. дои : 10.1128/AAC.01283-20 . ISSN 0066-4804 . ПМЦ 7508602 . ПМИД 32718971 .
^ Мехольд, Ундина; Потрикус, Катажина; Мерфи, Хелен; Мураками, Кацухико С.; Кашел, Майкл (июль 2013 г.). «Дифференциальная регуляция с помощью ppGpp и pppGpp в Escherichia coli» . Исследования нуклеиновых кислот . 41 (12): 6175–6189. дои : 10.1093/нар/gkt302 . ISSN 1362-4962 . ПМЦ 3695517 . ПМИД 23620295 .
^ Курода, Акио; Мерфи, Хелен; Кашел, Майкл; Корнберг, Артур (22 августа 1997 г.). «Гуанозинтетра- и пентафосфат способствуют накоплению неорганического полифосфата в Escherichia coli» . Журнал биологической химии . 272 (34): 21240–21243. дои : 10.1074/jbc.272.34.21240 . ISSN 0021-9258 . ПМИД 9261133 .
^ Грей, Майкл Дж. (11 февраля 2019 г.). «Накопление неорганического полифосфата в Escherichia coli регулируется DksA, но не (p)ppGpp» . Журнал бактериологии . 201 (9). дои : 10.1128/jb.00664-18 . ISSN 0021-9193 . ПМК 6456864 . PMID 30745375 .
^ де Алмейда, Луис Густаво; Ортис, Джулия Хелена; Шнайдер, Рене П.; Спира, Бени (20 февраля 2015 г.). «phoUИнактивация Pseudomonas aeruginosa усиливает накопление ppGpp и полифосфата» . Прикладная и экологическая микробиология . 81 (9): 3006–3015. Бибкод : 2015ApEnM..81.3006D . дои : 10.1128/aem.04168-14 . ISSN 0099-2240 . ПМЦ 4393453 . ПМИД 25710363 .

Дальнейшее чтение

Кондон, К; Сквайрс, К; Сквайрс, CL (1995). «Контроль транскрипции рРНК в Escherichia coli» . Микробиол Рев . 59 (4): 623–45. дои : 10.1128/MMBR.59.4.623-645.1995 . ПМК 239391 . ПМИД 8531889 .
Арцимович, я; Патлан, В.; Секин, С; Васильева, Миннесота; Хосака, Т; Очи, К; Ёкояма, С; Васильев, Д.Г. (2004). «Структурная основа регуляции транскрипции с помощью алармина ppGpp» . Клетка . 117 (3): 299–310. дои : 10.1016/S0092-8674(04)00401-5 . ПМИД 15109491 . S2CID 17943818 .
Магнуссон, Лу; Прощай, А; Нистрем, Т (2005). «PpGpp: глобальный регулятор Escherichia coli». Тенденции в микробиологии . 13 (5): 236–42. дои : 10.1016/j.tim.2005.03.008 . ПМИД 15866041 .
Пасиос, Ольга; Бласко, Люсия; Блерио, Инес; Фернандес-Гарсия, Лаура; Амвросий, Энтони; Лопес, Мария; Батт, немецкий; Кантон, Рафаэль; Гарсиа-Контрерас, Родольфо; Вуд, Томас К.; Томас, Мария (21 сентября 2020 г.). «(p)ppGpp и его роль в устойчивости бактерий: новые проблемы». Антимикробные средства и химиотерапия . 64 (10): e01283–20. дои : 10.1128/AAC.01283-20. ISSN 0066-4804. PMC 7508602. PMID 32718971.
Потрикус, К; Кашел, М. (2008). "(p)ppGpp: Все еще волшебно?" . Анну. Преподобный Микробиол . 62 : 35–51. дои : 10.1146/annurev.micro.62.081307.162903 . ПМИД 18454629 .

[1] Адамс, генеральный директор; Филлипс, DO; Николс, Джози М.; Карр, Нью-Йорк (1 сентября 1977 г.). «Наличие и отсутствие модуляции нуклеотидов магического пятна у цианобактерий, претерпевающих сдвиг питания вниз» . Письма ФЭБС . 81 (1): 48–52. дои : 10.1016/0014-5793(77)80925-3 . ПМИД 409622 . S2CID 12110840 .

[Srivatsan-2] Шриватсан, А.; Ван, доктор юридических наук (2008). «Контроль бактериальной транскрипции, трансляции и репликации с помощью (p) ppGpp». Современное мнение в микробиологии . 11 (2): 100–105. дои : 10.1016/j.mib.2008.02.001 . ПМИД 18359660 .

[3] Кашел, Майкл; Галлант, Джонатан (март 1969 г.). «Два соединения, участвующие в функции гена RC Escherichia coli» . Природа . 221 (5183): 838–841. Бибкод : 1969Natur.221..838C . дои : 10.1038/221838a0 . ISSN 1476-4687 . ПМИД 4885263 . S2CID 4146964 .

[4] Кашел М., Джентри Д.Р., Эрнандес В.Х., Винелла Д.: Строгий ответ. В Escherichia coli и Salmonella : клеточная и молекулярная биология, изд. 2. Под редакцией Нейдхардта Ф.К., Кертисса III Р., Ингрэма Дж.Л., Лин ЕСК, Лоу КБ, Магасаника Б., Резникова В.С., Райли М., Шехтера М., Умбаргера HE.ASM Press; 1996.

[5] Пасиос, Ольга; Бласко, Люсия; Блерио, Инес; Фернандес-Гарсия, Лаура; Амвросий, Энтони; Лопес, Мария; Батт, немецкий; Кантон, Рафаэль; Гарсиа-Контрерас, Родольфо; Вуд, Томас К.; Томас, Мария (21 сентября 2020 г.). «(p)ppGpp и его роль в устойчивости бактерий: новые проблемы» . Антимикробные средства и химиотерапия . 64 (10): e01283–20. дои : 10.1128/AAC.01283-20 . ISSN 0066-4804 . ПМЦ 7508602 . ПМИД 32718971 .

[6] Мехольд, Ундина; Потрикус, Катажина; Мерфи, Хелен; Мураками, Кацухико С.; Кашел, Майкл (июль 2013 г.). «Дифференциальная регуляция с помощью ppGpp и pppGpp в Escherichia coli» . Исследования нуклеиновых кислот . 41 (12): 6175–6189. дои : 10.1093/нар/gkt302 . ISSN 1362-4962 . ПМЦ 3695517 . ПМИД 23620295 .

[7] Курода, Акио; Мерфи, Хелен; Кашел, Майкл; Корнберг, Артур (22 августа 1997 г.). «Гуанозинтетра- и пентафосфат способствуют накоплению неорганического полифосфата в Escherichia coli» . Журнал биологической химии . 272 (34): 21240–21243. дои : 10.1074/jbc.272.34.21240 . ISSN 0021-9258 . ПМИД 9261133 .

[8] Грей, Майкл Дж. (11 февраля 2019 г.). «Накопление неорганического полифосфата в Escherichia coli регулируется DksA, но не (p)ppGpp» . Журнал бактериологии . 201 (9). дои : 10.1128/jb.00664-18 . ISSN 0021-9193 . ПМК 6456864 . PMID 30745375 .

[9] де Алмейда, Луис Густаво; Ортис, Джулия Хелена; Шнайдер, Рене П.; Спира, Бени (20 февраля 2015 г.). «phoUИнактивация Pseudomonas aeruginosa усиливает накопление ppGpp и полифосфата» . Прикладная и экологическая микробиология . 81 (9): 3006–3015. Бибкод : 2015ApEnM..81.3006D . дои : 10.1128/aem.04168-14 . ISSN 0099-2240 . ПМЦ 4393453 . ПМИД 25710363 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]