Кобаламин рибосвитч
РНК-семейство
Кобаламин рибосвитч
Предсказанная вторичная структура и сохранение последовательности кобаламина
Идентификаторы
СимволКобаламин
РфамРФ00174
Другие данные
Тип РНКЦис-рег ; рибосвитч
ДоменыБактерии
ТАКSO:0000035
Структуры PDBПДБе 6ВМЙ

Кобаламиновый рибосвитч – это цис-регуляторный элемент , который широко распространен в 5'-нетранслируемых областях генов , связанных с витамином B12 ( кобаламином), у бактерий . [1]

Рибопереключатели кобаламина (витамина B 12 , кофермента B 12 ) представляют собой структурированные элементы РНК, которые регулируют смежные 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 , с высоким сродством и специфичностью. Связывание лиганда опосредует аллостерическую перестройку структуры мРНК, и это приводит к модуляции экспрессии генов или трансляции мРНК с получением белка. Рибопереключатель кобаламина, наряду с большинством других рибопереключателей, является цис-регуляторным . Это означает, что они регулируют гены, участвующие в тех же метаболических путях, что и метаболит, который они связывают, что создает регуляцию через отрицательную обратную связь . Рибосвитчи группируются в классы по лиганду, который они связывают, поскольку домен связывания лиганда или аптамера высококонсервативен у разных видов. Рибосвитчи, включая рибосвитч кобаламина, в последнее время привлекли большое внимание из-за своего терапевтического и синтетического потенциала, [2], а также своих интересных структурных свойств. [3] [4] [5] По состоянию на 2019 год рибосвитчи кобаламина были идентифицированы у более чем 5000 видов бактерий. [2]

Селективность лиганда

Рибосвитчи кобаламина связывают кобаламин (витамин B12), который является сложным ферментным кофактором, состоящим из корринового кольца, координированного с ионом кобальта (III). В альфа-аксиальном положении кобальт координируется с диметилбензимидазольным фрагментом, присоединенным к корриновому кольцу через гибкий аминопропанольный линкер. [6] [7] Активная часть кофактора находится в бета-аксиальном положении. Метилкобаламин (MeCbl) и аденозилкобаламин (AdoCbl) являются биологически активными формами кобаламина, содержащими метильную группу и аденозильный фрагмент в бета-аксиальном положении соответственно. [6] Гидроксокобаламин (HyCbl) с гидроксильной группой в бета-аксиальном положении вырабатывается в результате фотолиза кобаламина и присутствует в биологических условиях, но не находится в активной форме. Цианокобаламин (CyCbl) — это искусственная форма кобаламина, содержащаяся в добавках, которая может быть преобразована в активные формы кобаламина. Рибосвитчи кобаламина могут проявлять селективность по отношению к различным формам кобаламина. [6]

Структура и классы

Рибосвитчи , включая кобаламиновый рибосвитч, обычно состоят из домена лиганд-связывания или аптамера и платформы экспрессии. Связывание лиганда вызывает аллостерическую структурную перестройку в платформе экспрессии, что приводит к регуляции экспрессии генов через транскрипционные или трансляционные механизмы. [4] [8]

Класс I (Cbl-I)

Кобаламиновые рибопереключатели в целом классифицируются по идентичности аптамера, но могут быть дополнительно классифицированы на класс I (Cbl-I) и класс II (Cbl-II) на основе селективности к аналогам кобаламина и периферических структурных элементов. [6] Рибопереключатели Cbl-I и Cbl-II имеют общий консервативный домен рецептора, состоящий из четырехстороннего соединения и регуляторного домена. Рибопереключатели Cbl-I селективны для AdoCbl , с переменной периферической структурой петли-стебля , облегчающей специфичность лиганда. [6] [9] Более 90% кобаламиновых рибопереключателей, идентифицированных до 2003 года, являются рибопереключателями Cbl-I. [10]

Класс IIa (Cbl-IIa)

Рибосвитчи, связанные с VB 12 , с кодами PDB: a) 4FRN b) 6VMY c) 4FRG d) 4GMA

Cbl-II можно далее 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 периферических элементов. [6]

Класс IIb (Cbl-IIb)

Рибопереключатели Cbl-IIb также селективны для AdoCbl , [6] [9], но они значительно отличаются по структуре от рибопереключателей Cbl-I. Структурная основа селективности AdoCbl еще не определена. [6] Рибопереключатели Cbl-IIb также различаются по природе генов, которые они регулируют, при этом рибопереключатели Cbl-IIb в первую очередь связаны с генами, участвующими в утилизации этаноламина. [6] Этаноламин в изобилии присутствует 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 источника углерода и азота , повышая экспрессию генов утилизации этаноламина ; это может иметь преимущество в выживании. [11] На экспрессию генов утилизации этаноламина (eutG) влияют два различных механизма. Первый — это двухкомпонентная регуляторная система , которая определяет присутствие этаноламина, а второй механизм — это рибопереключатель AdoCbl , который определяет присутствие AdoCbl, кофактора, необходимого для расщепления этаноламина. Исследование показало, что оба этих регуляторных элемента должны быть активированы для эффективного роста бактерий на среде, содержащей этаноламин. [12] Биоинформационные исследования изначально не увенчались успехом в идентификации рибопереключателей AdoCbl в геномах бактерий , но последующие исследования межгенных областей локуса eutG с использованием Ribex идентифицировали 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 имеет гораздо более объемный β-аксиальный фрагмент. [9] Этот рибопереключатель также способен связывать CyCbl . [9]

Открытие

До доказательства функции рибопереключателя был идентифицирован консервативный мотив последовательности, называемый B 12 box [14] , который соответствует части рибопереключателя кобаламина, [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

Механизмы отдельных рибопереключателей кобаламина могут различаться, и многие из них еще не выяснены. [16] Четыре канонических механизма для рибопереключателей включают транскрипционную активацию или репрессию и трансляционную активацию или репрессию. [17] [16] При транскрипционной активации терминаторная петля, которая блокирует сайт связывания РНК-полимеразы, присутствует в отсутствие лиганда, а при связывании лиганда образуется антитерминаторная петля, а терминаторная шпилька удаляется. Транскрипционная терминация происходит, когда терминаторная петля формируется в присутствии лиганда. Регулирование посредством трансляционной активации происходит, когда последовательность Шайна-Дальгарно (SD), необходимая для связывания рибосомы с мРНК и инициирования трансляции, изолируется в третичных структурных элементах, когда лиганд не связан и становится доступным после того, как рибопереключатель претерпевает конформационное изменение, вызванное лигандом. При трансляционной репрессии SD изолируется при связывании лиганда. [18] [16] Подтверждено, что рибопереключатель E. coli btuB AdoCbl регулирует экспрессию генов посредством механизма репрессии трансляции, а также рибопереключатель env8 HyCbl. [16]

Регулируемые гены

Известно, что рибосвитч кобаламина регулирует широкий спектр генов, участвующих в метаболизме кобаламина, включая гены, кодирующие белки, участвующие в биосинтезе и транспорте кобаламина. [19] Примерами служат регуляция гена btuB в E. coli, который кодирует белок транспорта кобаламина, [1] регуляция CobA, фермента, который превращает уропорфириноген III в прекоррин-2 во время биосинтеза кобаламина в P. freudenreichiii, [20] и оперон биосинтеза кобаламина (cob) в S. typhimurium [21] и другие.

Приложения

Как цели для наркотиков

Возникающая угроза устойчивости к антибиотикам подчеркивает необходимость разработки новых антибиотиков . [17] Рибопереключатели , включая рибопереключатели кобаламина, в настоящее время изучаются в качестве потенциальных целей для новых антибиотиков. [2] Они не только регулируют основные метаболические процессы, но и в основном встречаются у прокариот . На сегодняшний день в некоторых растительных клетках был идентифицирован только один рибопереключатель (рибопереключатель TPP), а в клетках млекопитающих рибопереключатели не были идентифицированы. [2] [3] Нацеливание на регуляторные механизмы, специфичные для бактерий, сводит к минимуму риск побочных эффектов у хозяина. [4] Кроме того, механизм, в котором лиганд связывается со своим рибопереключателем, по своей сути отличается от того, как белок связывает тот же лиганд, что сводит к минимуму помехи между двумя системами. [16]

Здесь показана базовая схема, где фиолетовые звезды указывают на метаболит, а желтая стрелка показывает репортерный ген. Клетки с более низкой концентрацией метаболита имеют больше рибопереключателей в несвязанном состоянии. Несвязанная конформация имеет неструктурированное взаимодействие между сайтом связывания рибосомы (RBS) и синими и зелеными сегментами. Это неструктурированное взаимодействие позволяет репортерному гену эффективно транслироваться вниз 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. 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 котором было проанализировано восемь различных классов рибопереключателей на предмет пригодности в качестве мишеней для антибактериальных препаратов , классифицировало рибопереключатель кобаламина как частично подходящий для воздействия антибиотиками. [2] По состоянию на 2019 год рибопереключатели кобаламина были обнаружены у 5174 видов бактерий, 7% из которых являются человеческими патогенами . [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 терапевтические средства, нацеленные на рибопереключатель кобаламина, не разрабатываются. [5]

Как биосенсоры

Рибопереключатели идеально подходят для создания биосенсоров благодаря своей способности претерпевать конформационное переключение при связывании со специфическими лигандами. [4] Эти сенсоры сконструированы с рибопереключателем кобаламина выше гена, кодирующего 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 конформационное изменение, которое блокирует сайт связывания рибосомы, останавливая транскрипцию репортерного гена .

В 2010 году исследователи разработали первый датчик AdoCbl на основе рибопереключателя в E. coli . [4]   Этот датчик также использовался для обнаружения биосинтетических предшественников витамина B12, таких как кобинамид, и подтверждения участия определенных генов в метаболизме кобаламина. [4] Совсем недавно этот датчик использовался для скрининга мутантов Ensifer meliloti на предмет их способности синтезировать большие количества витамина B12 . [ 22] Датчики рибопереключателя можно использовать вне клеточной среды. Например, биосенсор, разработанный на основе рибопереключателя кобаламина Propionibacterium freudenreichii, использовался для определения концентрации витамина B12 в ферментированных продуктах питания с высокой чувствительностью. [23]

Ссылки

  1. ^ abcd Nahvi A, Sudarsan N, Ebert MS, Zou X, Brown KL, Breaker RR (сентябрь 2002 г.). «Генетический контроль с помощью связывания метаболита с мРНК». Химия и биология . 9 (9): 1043–1049 . doi : 10.1016/S1074-5521(02)00224-7 . PMID  12323379.
  2. ^ abcdefg Павлова Н, Пенчовский Р (июль 2019 г.). «Геномный биоинформатический анализ рибопереключателей FMN, SAM-I, glmS, TPP, лизина, пурина, кобаламина и SAH для их применения в качестве аллостерических антибактериальных лекарственных мишеней в патогенных для человека бактериях». Экспертное мнение о терапевтических мишенях . 23 (7): 631– 643. doi : 10.1080/14728222.2019.1618274. PMID  31079546. S2CID  153306189.
  3. ^ ab Batey RT (апрель 2015 г.). «Рибопереключатели: все еще много неизведанной страны». РНК . 21 (4): 560– 563. doi :10.1261/rna.050765.115. PMC 4371280. PMID  25780138 . 
  4. ^ abcdef Aghdam EM, Hejazi MS, Barzegar A (ноябрь 2016 г.). «Рибопереключатели: от живых биосенсоров до новых целей антибиотиков». Gene . 592 (2): 244– 259. doi :10.1016/j.gene.2016.07.035. PMID  27432066.
  5. ^ ab Panchal V, Brenk R (январь 2021 г.). «Рибопереключатели как лекарственные мишени для антибиотиков». Антибиотики . 10 (1): 45. doi : 10.3390/antibiotics10010045 . PMC 7824784. PMID  33466288 . 
  6. ^ abcdefghij Polaski JT, Webster SM, Johnson JE, Batey RT (июль 2017 г.). «Рибосвитчи кобаламина демонстрируют широкий спектр возможностей различать метилкобаламин и аденозилкобаламин». Журнал биологической химии . 292 (28): 11650– 11658. doi : 10.1074/jbc.M117.787176 . PMC 5512062. PMID  28483920 . 
  7. ^ Osman D, Cooke A, Young TR, Deery E, Robinson NJ, Warren MJ (январь 2021 г.). «Требование кобальта в витамине B12: парадигма металлирования белков». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular Cell Research . 1868 (1): 118896. doi :10.1016/j.bbamcr.2020.118896. PMC 7689651. PMID  33096143 . 
  8. ^ ab Barrick JE, Breaker RR (2007-11-12). "Распределение, механизмы и структуры рибопереключателей, связывающих метаболиты". Genome Biology . 8 (11): R239. doi : 10.1186/gb-2007-8-11-r239 . PMC 2258182 . PMID  17997835. 
  9. ^ abcde Chan CW, Mondragón A (июль 2020 г.). «Кристаллическая структура атипичного рибосвитча кобаламина раскрывает структурную адаптивность РНК как основу для беспорядочного связывания лиганда». Nucleic Acids Research . 48 (13): 7569– 7583. doi :10.1093/nar/gkaa507. PMC 7367189. PMID  32544228 . 
  10. ^ abc Витрещак АГ, Родионов ДА, Миронов АА, Гельфанд МС (сентябрь 2003 г.). «Регуляция метаболизма и транспорта витамина В12 у бактерий консервативным структурным элементом РНК». РНК . 9 (9): 1084– 1097. doi :10.1261/rna.5710303. PMC 1370473 . PMID  12923257. 
  11. ^ Randle CL, Albro PW, Dittmer JC (сентябрь 1969). «Состав фосфоглицеридов грамотрицательных бактерий и изменения в составе во время роста». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Липиды и липидный метаболизм . 187 (2): 214– 220. doi :10.1016/0005-2760(69)90030-7. PMID  4898381.
  12. ^ Del Papa MF, Perego M (ноябрь 2008 г.). «Этаноламин активирует сенсорную гистидинкиназу, регулирующую ее использование в Enterococcus faecalis». Журнал бактериологии . 190 (21): 7147– 7156. doi :10.1128/JB.00952-08. PMC 2580688. PMID 18776017  . 
  13. ^ Abreu-Goodger C, Merino E (июль 2005 г.). «RibEx: веб-сервер для поиска рибопереключателей и других консервативных бактериальных регуляторных элементов». Nucleic Acids Research . 33 (выпуск веб-сервера): W690 – W692 . doi :10.1093/nar/gki445. PMC 1160206. PMID  15980564 .  
  14. ^ Franklund CV, Kadner RJ (июнь 1997 г.). «Множественные транскрибируемые элементы контролируют экспрессию гена btuB Escherichia coli». Журнал бактериологии . 179 (12): 4039– 4042. doi :10.1128/jb.179.12.4039-4042.1997. PMC 179215. PMID  9190822 . 
  15. ^ Weinberg Z, Wang JX, Bogue J, Yang J, Corbino K, Moy RH, Breaker RR (2010-03-15). «Сравнительная геномика выявляет 104 кандидата структурированных РНК из бактерий, архей и их метагеномов». Genome Biology . 11 (3): R31. doi : 10.1186/gb-2010-11-3-r31 . PMC 2864571 . PMID  20230605. 
  16. ^ abcde Эдвардс AL, Бэйти RT (2010). "Рибопереключатели: общий регуляторный элемент РНК". Nature Education . 3 (9): 9.
  17. ^ ab Penchovsky R, Traykovska M (июнь 2015 г.). «Разработка лекарств, преодолевающих устойчивость к антибиотикам: где мы находимся и что нам следует делать?». Expert Opinion on Drug Discovery . 10 (6): 631– 650. doi :10.1517/17460441.2015.1048219. PMID  25981754. S2CID  37080625.
  18. ^ Ариза-Матеос А, Нутанаканти А, Серганов А (август 2021 г.). «Механизмы рибопереключателя: новые трюки для старой собаки». Биохимия. Биохимия . 86 (8): 962–975 . doi :10.1134/S0006297921080071. PMC 8961697. PMID 34488573.  S2CID 237431666  . 
  19. ^ "Витамин B-12". Клиника Майо . Получено 2021-12-03 .
  20. ^ Li J, Ge Y, Zadeh M, Curtiss R, Mohamadzadeh M (январь 2020 г.). «Регулирование биосинтеза витамина B12 с помощью рибопереключателя cbiMCbl в штамме Propionibacterium UF1». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 117 (1): 602– 609. Bibcode : 2020PNAS..117..602L. doi : 10.1073/pnas.1916576116 . PMC 6955298. PMID  31836694 . 
  21. ^ Nahvi A, Barrick JE, Breaker RR (2004). «Рибопереключатели коэнзима B12 являются широко распространенными элементами генетического контроля у прокариот». Nucleic Acids Research . 32 (1): 143– 150. doi :10.1093/nar/gkh167. PMC 373277. PMID  14704351 . 
  22. ^ ab Cai Y, Xia M, Dong H, Qian Y, Zhang T, Zhu B и др. (май 2018 г.). «Разработка высокопроизводительной системы скрининга витамина B12 с помощью сенсора рибосвитча в Sinorhizobium meliloti». BMC Biotechnology . 18 (1): 27. doi : 10.1186/s12896-018-0441-2 . PMC 5948670 . PMID  29751749. 
  23. ^ Zhu X, Wang X, Zhang C, Wang X, Gu Q (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. PMID  25577115.
  • Страница для рибосвитча кобаламина на сайте Rfam
  • Страница для рибосвитча AdoCbl на Rfam
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Cobalamin_riboswitch&oldid=1231916109"