Guanosinpentafosfat

Guanosinpentafosfat
PppGpp.svg
Namn
Andra namn
guanosinpentafosfat (pppGpp), guanosin-tetrafosfat (ppGpp)
Identifierare
DrugBank
Egenskaper
C10H18N5O20P5 _ _ _ _ _ _ _ _ _
Molar massa 683,14 g·mol -1
Om inte annat anges ges data för material i standardtillstånd (vid 25 °C [77 °F], 100 kPa).

(p)ppGpp , guanosinpentafosfat och tetrafosfat , även känd som nukleotiderna för den "magiska fläcken" , är alarmoner som är involverade i det stringenta svaret hos bakterier som orsakar hämning av RNA-syntes när det råder brist på aminosyror . Denna hämning av (p)ppGpp minskar translation i cellen, vilket bevarar närvarande aminosyror . Dessutom orsakar ppGpp och pppGpp uppreglering av många andra gener som är involverade i stressrespons, såsom generna för aminosyraupptag (från omgivande media ) och biosyntes .

Upptäckt

ppGpp och pppGpp identifierades först av Michael Cashel 1969. Dessa nukleotider befanns ackumuleras snabbt i Escherichia coli- celler som svälter efter aminosyror och hämmar syntesen av ribosomala och överförings-RNA. Det är nu känt att (p)ppGpp också produceras som svar på andra stressfaktorer inklusive kol- och fosfatsvält. Historiskt har litteratur kring (p)ppGpp gett motstridiga fynd och information om dess roll i bakteriell stressreaktion.

Frånvaro av (p)ppGpp

E.coli har visat sig vara känsligare för ansamlingar av guanosintetrafosfat än guanosinpentafosfat. En fullständig frånvaro av (p)ppGpp orsakar flera aminosyrabehov, dålig överlevnad av åldrade kulturer, avvikande celldelning, morfologi och orörlighet, såväl som att de låses i ett tillväxtläge under inträde i svält.

Syntes och nedbrytning av (p)ppGpp

Syntesen och nedbrytningen av (p)ppGpp har karakteriserats mest omfattande i den bakteriella modellorganismen Escherichia coli.

RelAs roll i (p)ppGpp-syntes

(p)ppGpp skapas via pppGpp- syntas , även känt som RelA, och omvandlas från pppGpp till ppGpp via pppGpp-fosfohydrolas. RelA är associerad med ungefär var och en av tvåhundra ribosomer och den aktiveras när en oladdad transfer RNA (tRNA) molekyl kommer in i A-stället i ribosomen, på grund av bristen på aminosyra som krävs av tRNA. Om en mutant bakterie är relA − sägs den vara avslappnad och ingen reglering av RNA-produktion på grund av aminosyrafrånvaro ses.

SpoTs roll i (p)ppGpp-nedbrytning

E. coli producerar ett andra protein som ansvarar för nedbrytning av (p)ppGpp, SpoT . När aminosyrabalansen i cellen återställs hydrolyseras (p)ppGpp av SpoT och återgår till ett mer energimässigt gynnsamt tillstånd. Detta protein har också förmågan att syntetisera (p)ppGpp och verkar vara det primära syntaset under vissa stressförhållanden. De flesta andra bakterier kodar för ett enda protein som är ansvarigt för både syntes och nedbrytning av (p)ppGpp, vanligtvis homologer av SpoT.

Mål för (p)ppGpp

Mål för (p)ppGpp inkluderar rRNA- operoner , av vilka det finns sju i E.coli , som alla har två promotorer . När (p)ppGpp associeras med promotorn påverkar det RNA- polymerasenzymets förmåga att binda och initiera transkription . Man tror att (p)ppGpp kan påverka stabiliteten hos det öppna komplex som bildas av RNA-polymeras på DNA och därför påverka promotorclearance. Dess närvaro leder också till en ökning av paus under transkriptionsförlängning och den konkurrerar med nukleosidtrifosfatsubstrat .

Det finns nu enighet om att (p)ppGpp är en determinant för tillväxthastighetskontroll snarare än nukleosidtrifosfat (NTP) substratkoncentrationer.

Inverkan av (p)ppGpp på bakteriell fysiologi

Hämning av tillväxt genom hämning av proteinsyntes

ppGpp hämmar IF2-medierad fMet-Phe-initieringsdipeptidbildning, troligen genom att interferera med 30S- och 50S-subenhetsinteraktioner. E. coli ackumulerar mer ppGpp än pppGpp under aminosyrasvält, och ppGpp har ungefär 8 gånger högre effektivitet än pppGpp. Medan B. subtilis ackumulerar mer pppGpp än ppGpp.

Hämning av DNA-replikation

I E. coli hämmade aminosyrasvält DNA-replikation vid initieringsstadiet vid oriC, troligen på grund av bristen på DNA-replikationsinitieringsproteinet. I B. subtilis orsakas replikationsstoppet på grund av (p)ppGpp-ackumulering av bindningen av ett Rtp-protein till specifika platser cirka 100-200 kb bort från oriC i båda riktningarna. DNA-primas (DnaG) inhiberades direkt av (p)ppGpp. Till skillnad från E. coli ackumulerar B. subtilis mer pppGpp än ppGpp; den mer rikliga nukleotiden är en mer potent DnaG-hämmare. ppGpp kan binda till Obg-protein som tillhör den konserverade, lilla GTPase-proteinfamiljen. Obg-protein interagerar med flera regulatorer (RsbT, RsbW, RsbX) som är nödvändiga för stressaktivering av sigma B.

Inverkan på fagreplikation och utveckling

Värdens (p)ppGpp-nivåer verkar fungera som en sensor för fag-lambda-utveckling, vilket primärt påverkar transkriptionen. Måttliga ppGpp-nivåer hämmar pR och aktiva pE-, pI- och paQ-promotorer in vivo och har effekter in vitro som verkar gynna lysogeni. Däremot gynnar frånvarande eller höga koncentrationer av (p)ppGpp lys. Måttliga ppGpp-nivåer gynnar lysogeni genom att leda till lågt HflB (FtsH). När ppGpp är antingen frånvarande eller hög, är HflB-proteasnivåerna höga; detta leder till lägre CII (ett lysogeni-främjande fagprotein) och gynnar lys.

Inverkan på transkription

Egenskaper för påverkade promotorer

En av nyckelelementen i promotorer som hämmas av (p)ppGpp är närvaron av en GC-rik diskriminator, definierad som en region mellan TATA-box (-10 box) och +1 nt (där +1 är transkriptionsstartplatsen) . Promotorer som är negativt reglerade av ppGpp har en 16-bp-linker, i motsats till 17-bp-konsensus. Promotorer aktiverade av ppGpp verkar ha en AT-rik diskriminator och kvardröjande linkers (till exempel his- promotorlinkern 18 bp).

RNAP är målet

Genetiska bevis som tyder på att RNAP var målet för ppGpp kom från upptäckten att M+-mutanter (även kallade stringenta RNAP-mutanter) uppvisar in vitro och in vivo-mimik av fysiologi och transkriptionsreglering tillförd av (p)ppGpp, även i frånvaro. Tvärbindning av ppGpp till RNAP förstärkte denna uppfattning. Strukturella detaljer för en association mellan ppGpp och RNAP kom från analysen av cokristaller som placerade ppGpp i den sekundära kanalen av RNAP nära det katalytiska centrumet.

DksA förstärker regleringen

DksA är ett protein på 17 kDa, dess struktur liknar GreA och GreB, som är välkarakteriserade transkriptionella förlängningsfaktorer. GreA och GreB binder direkt till RNAP snarare än DNA och agerar genom att infoga sin N-terminala coiled-coil fingerdomän genom RNAP sekundärkanalen. Två konserverade sura rester vid spetsen av fingerdomänen är nödvändiga för att inducera RNAP:s inneboende förmåga att klyva backtracked RNA. DksA har också två sura rester vid sin fingerspets, men det inducerar inte nukleolytisk klyvningsaktivitet. Istället föreslås dessa rester stabilisera ppGpp-bindning till RNAP genom ömsesidig koordinering av en Mg2+-jon som är avgörande för polymerisation.

Transkriptionsinhibering och aktivering

ppGpp hämmar direkt transkription från ribosomala promotorer. En modell är ppGpp och DksA tillsammans och minskar oberoende av varandra stabiliteten hos de öppna komplex som bildas på DNA av RNAP. En annan modell är fångstmekanismen. I denna modell fångas RNAP av ppGpp i slutna komplex och kan inte initiera transkription. Således tycks ppGpp agera på många nivåer, och mekanismen för dess verkan är ett komplext resultat av flera faktorer, varvid inre promotoregenskaper inte är den minsta av dem. Transkriptionsaktiveringen av ppGpp kan vara direkt eller indirekt. Direkt aktivering sker när RNAP interagerar med effektorer, såsom ppGpp, DksA eller båda, för att öka transkriptionen från en given promotor. Indirekt aktivering av dessa effektorer av en promotor är beroende av hämning av andra (starka) promotorer, vilket leder till ökad tillgänglighet av RNAP som indirekt aktiverar transkriptionsinitiering. Promotorerna som aktiveras direkt av ppGpp inkluderar P argl , P thrABC , P livJ och P hisG . De indirekt aktiveringspromotorerna inkluderar dessa beroende på sigmafaktorer: S, H, N, E. När starka promotorer, såsom rrn , hämmas finns det mer RNAP tillgängligt för dessa alternativa sigmafaktorer.

Patogenes och (p)ppGpp

00 När (p)ppGpp saknas, äventyras patogeniciteten av skäl som varierar med den studerade organismen. Att ta bort rel A- och spo T-gener, men inte rel A enbart, gav ett (p)ppGpp- tillstånd som resulterade i stark försvagning hos möss och icke-invasivitet in vitro. Vaccintest avslöjar att 30 dagar efter enstaka immunisering med (p)ppGpp- stammen, skyddades möss från utmaning med vildtypssalmonella vid en dos 10 ^ gånger över den etablerade LD50 .

Ansamling av polyfosfat

Det föreslogs att ökad syntes av (p)ppGpp skulle orsaka polyfosfat (PolyP) ackumulering i E. coli . Alarmonet skulle kunna interagera med exopolyfosfatas PPX , vilket skulle hämma hydrolysen av PolyP, vilket skulle orsaka dess ackumulering i bakterier. Även om det nyligen har visat sig att det faktiskt är DksA och inte (p)ppGpp som orsakar denna uppbyggnad. Det har visats i Pseudomonas aeruginosa att phoU -mutanten ( phoU tillhör Pho Regulon) syntetiserar mer (p)ppGpp och detta skulle vara en av anledningarna till att den ackumulerar mer polyfosfat.

Vidare läsning

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Guanosine_pentaphosphate&oldid=1138537698 "