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 у 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 ]} (p)ppGpp также сохраняется в растениях , где, как известно, он играет роль в регуляции процессов роста и развития. ^{[ 3 ]}

Открытие

ppGpp и pppGpp были впервые идентифицированы Майклом Кашелом в 1969 году. ^{[ 4 ]} Было обнаружено, что эти нуклеотиды быстро накапливаются в клетках Escherichia coli, лишенных аминокислот, и ингибируют синтез рибосомальных и транспортных РНК. ^{[ 5 ]} 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. ^{[ 6 ]}

Отсутствие

Показано, что E.coli более чувствительна к накоплению гуанозинтетрафосфата, чем гуанозинпентафосфата. ^{[ 7 ]} 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

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

Роль RelA в синтезе

(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

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

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).

Функция

Ингибирование 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, и 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.

Репликация 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.

Транскрипция

Затронутые промоутеры

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, его промоторный линкер 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, чтобы индуцировать внутреннюю способность РНКП расщеплять РНК с обратным маршрутом. DksA также имеет два кислотных остатка на кончике пальца, но не вызывает активности 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

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 показывают, 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 . ^{[ 8 ]} 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. ^{[ 9 ]} 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. ^{[ 10 ]}

Ссылки

^ Адамс Д.Г., Филлипс Д.О., Николс Дж.М., Карр Н.Г. (сентябрь 1977 г.). «Наличие и отсутствие модуляции нуклеотидов магического пятна у цианобактерий, претерпевающих сдвиг питания вниз» . Письма ФЭБС . 81 (1): 48–52. Бибкод : 1977FEBSL..81...48A . дои : 10.1016/0014-5793(77)80925-3 . ПМИД 409622 . S2CID 12110840 .
^ Шриватсан А., Ван Дж.Д. (апрель 2008 г.). «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 .
^ Тюркан С., Куласек М., Зенкевич А., Мерек-Адамска А., Скшипек Е., Варчол М. и др. (март 2024 г.). «Гуанозинтетрафосфат (ppGpp) — новый игрок в развитии семян Brassica napus L.». Пищевая химия . 436 :137648.дои 10.1016 : /j.foodchem.2023.137648 .
^ Кашел М., Галлант Дж. (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 . ПМИД 4885263 . S2CID 4146964 .
^ Кашел М., Джентри Д.Р., Эрнандес В.Х., Винелла Д. (1996). «Строгий ответ». В Нейдхардт ФК, Кертисс III Р., Ингрэм Дж.Л., Лин Э.К., Лоу К.Б., Магасаник Б., Резников В.С., Райли М., Шехтер М., Умбаргер Х.Э. (ред.). Escherichia coli и сальмонелла : клеточная и молекулярная биология (2-е изд.). АСМ Пресс.
^ Пасиос О, Бласко Л, Блерио И, Фернандес-Гарсия Л, Амброа А, Лопес М и др. (сентябрь 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 . ПМЦ 7508602 . ПМИД 32718971 .
^ Мечольд У., Потрикус К., Мерфи Х., Мураками К.С., Кашел М. (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 . ПМЦ 3695517 . ПМИД 23620295 .
^ Курода А., Мерфи Х., Кашел М., Корнберг А. (август 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 . ПМИД 9261133 .
^ Грей MJ (май 2019 г.). «Накопление неорганического полифосфата в Escherichia coli регулируется DksA, но не (p)ppGpp» . Журнал бактериологии . 201 (9). дои : 10.1128/jb.00664-18 . ПМК 6456864 . PMID 30745375 .
^ де Алмейда Л.Г., Ортис Дж.Х., Шнайдер Р.П., Спира Б. (май 2015 г.). «Инактивация phoU у 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 . ПМЦ 4393453 . ПМИД 25710363 .

Дальнейшее чтение

Кондон С., Сквайрс С., Сквайрс CL (декабрь 1995 г.). «Контроль транскрипции рРНК в Escherichia coli» . Микробиологические обзоры . 59 (4): 623–645. дои : 10.1128/MMBR.59.4.623-645.1995 . ПМК 239391 . ПМИД 8531889 .
Арцимович И., Патлан В., Секин С., Васильева М.Н., Хосака Т., Очи К. и др. (апрель 2004 г.). «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 Л.У., Прощай, А, Нистрём Т. (май 2005 г.). «ppGpp: глобальный регулятор Escherichia coli». Тенденции в микробиологии . 13 (5): 236–242. дои : 10.1016/j.tim.2005.03.008 . ПМИД 15866041 .
Пасиос О, Бласко Л, Блерио И, Фернандес-Гарсия Л, Амброа А, Лопес М и др. (сентябрь 2020 г.). «(p)ppGpp и его роль в устойчивости бактерий: новые проблемы» . Антимикробные средства и химиотерапия . 64 (10). дои : 10.1128/AAC.01283-20 . ПМЦ 7508602 . ПМИД 32718971 .
Потрикус К., Кашел М. (2008). «(p)ppGpp: все еще волшебно?». Ежегодный обзор микробиологии . 62 : 35–51. дои : 10.1146/annurev.micro.62.081307.162903 . ПМИД 18454629 .

[1] Адамс Д.Г., Филлипс Д.О., Николс Дж.М., Карр Н.Г. (сентябрь 1977 г.). «Наличие и отсутствие модуляции нуклеотидов магического пятна у цианобактерий, претерпевающих сдвиг питания вниз» . Письма ФЭБС . 81 (1): 48–52. Бибкод : 1977FEBSL..81...48A . дои : 10.1016/0014-5793(77)80925-3 . ПМИД 409622 . S2CID 12110840 .

[Srivatsan-2] Шриватсан А., Ван Дж.Д. (апрель 2008 г.). «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] Тюркан С., Куласек М., Зенкевич А., Мерек-Адамска А., Скшипек Е., Варчол М. и др. (март 2024 г.). «Гуанозинтетрафосфат (ppGpp) — новый игрок в развитии семян Brassica napus L.». Пищевая химия . 436 :137648.дои 10.1016 : /j.foodchem.2023.137648 .

[4] Кашел М., Галлант Дж. (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 . ПМИД 4885263 . S2CID 4146964 .

[5] Кашел М., Джентри Д.Р., Эрнандес В.Х., Винелла Д. (1996). «Строгий ответ». В Нейдхардт ФК, Кертисс III Р., Ингрэм Дж.Л., Лин Э.К., Лоу К.Б., Магасаник Б., Резников В.С., Райли М., Шехтер М., Умбаргер Х.Э. (ред.). Escherichia coli и сальмонелла : клеточная и молекулярная биология (2-е изд.). АСМ Пресс.

[6] Пасиос О, Бласко Л, Блерио И, Фернандес-Гарсия Л, Амброа А, Лопес М и др. (сентябрь 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 . ПМЦ 7508602 . ПМИД 32718971 .

[7] Мечольд У., Потрикус К., Мерфи Х., Мураками К.С., Кашел М. (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 . ПМЦ 3695517 . ПМИД 23620295 .

[8] Курода А., Мерфи Х., Кашел М., Корнберг А. (август 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 . ПМИД 9261133 .

[9] Грей MJ (май 2019 г.). «Накопление неорганического полифосфата в Escherichia coli регулируется DksA, но не (p)ppGpp» . Журнал бактериологии . 201 (9). дои : 10.1128/jb.00664-18 . ПМК 6456864 . PMID 30745375 .

[10] де Алмейда Л.Г., Ортис Дж.Х., Шнайдер Р.П., Спира Б. (май 2015 г.). «Инактивация phoU у 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 . ПМЦ 4393453 . ПМИД 25710363 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]