Гуанозин пентафосфат

Гуанозин пентафосфат
Имена
Другие имена
гуанозинпентафосфат (pppGpp), гуанозинтетрафосфат (ppGpp)
Идентификаторы
  • 32452-17-8
DrugBank
  • DB04022
CID PubChem
  • 766
Характеристики
С10Н18Н5О20П5​​​​​​​​​
Молярная масса683,14 г·моль −1
Если не указано иное, данные приведены для материалов в стандартном состоянии (при 25 °C [77 °F], 100 кПа).
Химическое соединение

(p)ppGpp , пентафосфат и тетрафосфат гуанозина , также известные как нуклеотиды «волшебного пятна» , [1] являются алармонами, участвующими в жесткой реакции у бактерий , которые вызывают ингибирование синтеза РНК при нехватке аминокислот . Это ингибирование (p)ppGpp снижает трансляцию в клетке, сохраняя присутствующие аминокислоты . Кроме того, ppGpp и pppGpp вызывают повышение регуляции 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 Кэшелом в 1969 году. [4] Было обнаружено, что эти нуклеотиды быстро накапливаются в клетках Escherichia coli , испытывающих нехватку аминокислот, и подавляют синтез рибосомальных и транспортных РНК. [5] Сейчас известно, что (p)ppGpp также вырабатывается в ответ на другие стрессоры, включая углеродное и фосфатное голодание. Исторически литература, окружающая (p)ppGpp, давала противоречивые результаты и информацию о его роли в бактериальных реакциях на стресс. [6]

Отсутствие

Показано, что E.coli более чувствительны к накоплению гуанозинтетрафосфата, чем гуанозинпентафосфата. [7] Полное отсутствие (p)ppGpp приводит к многочисленным потребностям в аминокислотах, плохой выживаемости старых культур, аномальному делению клеток, морфологии и неподвижности, а также к блокировке в режиме роста при переходе к голоданию.

Синтез и деградация

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

Роль RelA в синтезе

(p)ppGpp создается посредством pppGpp- синтазы , также известной как RelA, и преобразуется из pppGpp в ppGpp посредством pppGpp-фосфогидролазы. RelA связан примерно с каждой из двухсот рибосом и активируется, когда незаряженная молекула транспортной РНК (тРНК) попадает в сайт A рибосомы из-за нехватки аминокислоты, необходимой для тРНК. Если мутантная бактерия — relA , говорят, что она расслаблена, и регуляция продукции РНК из-за отсутствия аминокислоты не наблюдается.

Роль SpoT в деградации

E. coli производит второй белок, ответственный за деградацию (p)ppGpp, SpoT . Когда баланс аминокислот 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 при определенных условиях стресса. Большинство других бактерий кодируют один белок, который отвечает как за синтез, так и за деградацию (p)ppGpp, как правило, гомологов SpoT.

Цели

Цели (p)ppGpp включают опероны рРНК , которых в E.coli семь , все из которых имеют 2 промотора . Когда (p)ppGpp ассоциируется с промотором, это влияет на способность фермента РНК-полимеразы связываться и инициировать транскрипцию . Считается, что (p)ppGpp может влиять на стабильность открытого комплекса, образованного РНК-полимеразой на ДНК, и, следовательно, влиять на клиренс промотора. Его присутствие также приводит к увеличению пауз во время удлинения транскрипции , и он конкурирует с субстратами нуклеозидтрифосфата .

В настоящее время существует консенсус относительно того, что фактором, определяющим скорость роста, является (p)ppGpp, а не концентрация субстрата нуклеозидтрифосфата (NTP).

Функция

Ингибирование синтеза белка

ppGpp ингибирует образование дипептида инициации fMet-Phe, опосредованное IF2, вероятно, путем вмешательства во взаимодействия субъединиц 30S и 50S. E. coli накапливает больше ppGpp, чем pppGpp во время аминокислотного голодания, и ppGpp имеет примерно в 8 раз большую эффективность, чем 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 в 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 примерно в 100-200 кб от oriC в обоих направлениях. ДНК-праймаза (DnaG) была напрямую ингибирована (p)ppGpp. В отличие от E. coli, B. subtilis накапливает больше pppGpp, чем ppGpp; более обильный нуклеотид является более мощным ингибитором DnaG. ppGpp может связываться с белком Obg, который принадлежит к консервативному семейству малых белков GTPase. Белок Obg взаимодействует с несколькими регуляторами (RsbT, RsbW, RsbX), необходимыми для стрессовой активации сигма B.

Репликация и развитие фага

Уровни (p)ppGpp хозяина, по-видимому, действуют как сенсор для 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, благоприятствуют лизогении. Напротив, отсутствие или высокие концентрации (p)ppGpp благоприятствуют лизису. Умеренные уровни ppGpp благоприятствуют лизогении, приводя к низкому уровню HflB (FtsH). Когда ppGpp отсутствует или высок, уровни протеазы HflB высоки; это приводит к низкому уровню CII (фагового белка, способствующего лизогении) и благоприятствует лизису.

Транскрипция

Пострадавшие промоутеры

Одним из ключевых элементов промоторов, ингибируемых (p)ppGpp, является наличие дискриминатора, богатого GC, определяемого как область между TATA-box (-10 box) и +1 nt (где +1 — это сайт начала транскрипции). Промоторы, отрицательно регулируемые ppGpp, имеют линкер из 16 пар оснований, в отличие от консенсуса из 17 пар оснований. Промоторы, активируемые ppGpp, по-видимому, имеют дискриминатор, богатый AT, и линкерные линкеры (например, линкер промотора his составляет 18 пар оснований).

РНК-полимераза является целью

Генетические доказательства, предполагающие, что РНК-полимераза является целью ppGpp, были получены из открытия того, что мутанты M+ (также называемые строгими мутантами РНК-полимеразы) демонстрируют in vitro и in vivo имитацию физиологии и регуляции транскрипции, обеспечиваемой (p)ppGpp, даже при его отсутствии. Сшивание ppGpp с РНК-полимеразой подкрепило это представление. Структурные детали ассоциации между ppGpp и РНК-полимеразой были получены из анализа сокристаллов, которые размещали ppGpp во вторичном канале РНК-полимеразы вблизи каталитического центра.

DksA усиливает регулирование

DksA — это белок массой 17 кДа, его структура похожа на GreA и GreB, которые являются хорошо охарактеризованными факторами удлинения транскрипции . GreA и GreB связываются напрямую с РНКП, а не с ДНК, и действуют, вставляя свой домен N-концевого пальцеобразного спирали через вторичный канал РНКП. Два консервативных кислотных остатка на кончике домена пальца необходимы для индукции внутренней способности РНКП расщеплять возвращенную РНК. DksA также обладает двумя кислотными остатками на кончике пальца, но он не вызывает нуклеолитической активности 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. Одна модель — ppGpp и DksA вместе и независимо друг от друга снижают стабильность открытых комплексов, образованных на ДНК РНК-полимеразой. Другая модель — механизм захвата. В этой модели РНК-полимераза захватывается ppGpp в закрытых комплексах и не может инициировать транскрипцию. Таким образом, ppGpp, по-видимому, действует на многих уровнях, и механизм его действия является сложным результатом нескольких факторов, не последним из которых являются внутренние свойства промотора. Активация транскрипции ppGpp может быть прямой или косвенной. Прямая активация происходит, когда РНК-полимераза взаимодействует с эффекторами, такими как ppGpp, DksA или оба, для увеличения транскрипции с данного промотора. Косвенная активация этими эффекторами одного промотора зависит от ингибирования других (сильных) промоторов, что приводит к повышению доступности РНК-полимеразы, которая косвенно активирует инициацию транскрипции. Промоторы, которые активируются непосредственно ppGpp, включают P argI , P thrABC , P livJ и P hisG . Промоторы косвенной активации включают в себя те, которые зависят от сигма-факторов: S, H, N, E. Когда сильные промоторы, такие как rrn , ингибируются, для этих альтернативных сигма-факторов становится доступно больше РНК-полимеразы.

Патогенез

Когда (p)ppGpp отсутствует, патогенность снижается по причинам, которые различаются в зависимости от изучаемого организма. Удаление генов rel A и spo T, но не одного rel A, дало состояние (p)ppGpp 0 , которое привело к сильному ослаблению у мышей и неинвазивности in vitro. Тесты вакцины показывают, что через 30 дней после однократной иммунизации штаммом (p)ppGpp 0 мыши были защищены от заражения диким типом сальмонеллы в дозе в 10 6 раз выше установленной LD 50 .

Накопление полифосфата

Было высказано предположение, что повышенный синтез (p)ppGpp вызовет накопление полифосфата (PolyP) в E. coli . [8] Алармон может взаимодействовать с экзополифосфатазой PPX , что будет ингибировать гидролиз PolyP, тем самым вызывая его накопление в бактериях. Хотя недавно было показано, что на самом деле это DksA, а не (p)ppGpp, вызывает это накопление. [9] Было показано, что в Pseudomonas aeruginosa 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

  1. ^ Адамс Д.Г., Филлипс Д.О., Николс Дж.М., Карр Н.Г. (сентябрь 1977 г.). «Наличие и отсутствие модуляции нуклеотидов в волшебном пятне у цианобактерий, претерпевающих понижение уровня питания». Письма FEBS . 81 (1): 48–52. Bibcode : 1977FEBSL..81...48A. doi : 10.1016/0014-5793(77)80925-3 . PMID  409622. S2CID  12110840.
  2. ^ Шриватсан А, Ван Дж. Д. (апрель 2008 г.). «Контроль бактериальной транскрипции, трансляции и репликации с помощью (p)ppGpp». Current Opinion in Microbiology . 11 (2): 100–105. doi :10.1016/j.mib.2008.02.001. PMID  18359660.
  3. ^ Туркан 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. doi : 10.1016/j.foodchem.2023.137648.
  4. ^ Cashel M, Gallant J (март 1969). «Два соединения, вовлеченные в функцию гена RC Escherichia coli». Nature . 221 (5183): 838–841. Bibcode :1969Natur.221..838C. doi :10.1038/221838a0. PMID  4885263. S2CID  4146964.
  5. ^ Cashel M, Gentry DR, Hernandez VH, Vinella D (1996). «Строгий ответ». В Neidhardt FC, Curtiss III R, Ingraham JL, Lin EC, Low KB, Magasanik B, Reznikoff WS, Riley M, Schaechter M, Umbarger HE (ред.).Escherichia coli и Salmonella : клеточная и молекулярная биология (2-е изд.). ASM Press.
  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. ^ Mechold U, Potrykus K, Murphy H, Murakami KS, Cashel M (июль 2013 г.). «Дифференциальная регуляция ppGpp по сравнению с pppGpp в Escherichia coli». Nucleic Acids Research . 41 (12): 6175–6189. doi :10.1093/nar/gkt302. PMC 3695517. PMID  23620295 . 
  8. ^ Курода А., Мерфи Х., Кашел М., Корнберг А. (август 1997 г.). «Гуанозин тетра- и пентафосфат способствуют накоплению неорганического полифосфата в Escherichia coli». Журнал биологической химии . 272 ​​(34): 21240–21243. doi : 10.1074/jbc.272.34.21240 . PMID  9261133.
  9. ^ Gray MJ (май 2019). «Накопление неорганического полифосфата в Escherichia coli регулируется DksA, но не (p)ppGpp». Журнал бактериологии . 201 (9). doi : 10.1128/jb.00664-18 . PMC 6456864. PMID  30745375 . 
  10. ^ de Almeida LG, Ortiz JH, Schneider RP, Spira B (май 2015 г.). «инактивация phoU в Pseudomonas aeruginosa усиливает накопление ppGpp и полифосфата». Applied and Environmental Microbiology . 81 (9): 3006–3015. Bibcode :2015ApEnM..81.3006D. doi : 10.1128/aem.04168-14 . PMC 4393453 . PMID  25710363. 

Дальнейшее чтение

  • Condon C, Squires C, Squires CL (декабрь 1995 г.). «Контроль транскрипции рРНК в Escherichia coli». Microbiological Reviews . 59 (4): 623–645. doi :10.1128/MMBR.59.4.623-645.1995. PMC  239391 . PMID  8531889.
  • Арцимович И, Патлан ​​В, Секин С, Васильева МН, Хосака Т, Очи К и др. (апрель 2004 г.). «Структурная основа регуляции транскрипции алармоне ppGpp». Cell . 117 (3): 299–310. doi : 10.1016/S0092-8674(04)00401-5 . PMID  15109491. S2CID  17943818.
  • Magnusson LU, Farewell A, Nyström T (май 2005 г.). "ppGpp: глобальный регулятор в Escherichia coli". Trends in Microbiology . 13 (5): 236–242. doi :10.1016/j.tim.2005.03.008. PMID  15866041.
  • Pacios O, Blasco L, Bleriot I, Fernandez-Garcia L, Ambroa A, López M и др. (сентябрь 2020 г.). "(p)ppGpp и его роль в бактериальной персистенции: новые вызовы". Антимикробные агенты и химиотерапия . 64 (10). doi :10.1128/AAC.01283-20. PMC  7508602. PMID  32718971 .
  • Потрикус К, Кэшел М (2008). «(p)ppGpp: все еще магический?». Ежегодный обзор микробиологии . 62 : 35–51. doi : 10.1146/annurev.micro.62.081307.162903. PMID  18454629.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Гуанозинпентафосфат&oldid=1245649718"