Pho regulon
Fosfatregulonet ( Pho ) är en regleringsmekanism som används för att bevara och hantera oorganiskt fosfat i cellen . Det upptäcktes först i Escherichia coli som ett operativsystem för bakteriestammen och identifierades senare i andra arter. Pho-systemet är sammansatt av olika komponenter inklusive extracellulära enzymer och transportörer som kan fosfatassimileras förutom att extrahera oorganiskt fosfat från organiska källor. Detta är en viktig process eftersom fosfat spelar en viktig roll i cellulära membran, genetiskt uttryck och metabolism i cellen. Under låg näringstillgänglighet hjälper Pho-regulonet cellen att överleva och frodas trots en utarmning av fosfat i miljön. När detta inträffar aktiverar fosfatsvält-inducerbara ( psi ) gener andra proteiner som hjälper till vid transporten av oorganiskt fosfat.
Fungera
Pho-regulonet styrs av ett tvåkomponents regulatoriskt system som består av ett histidinkinassensorprotein (PhoR) i det inre membranet och en transkriptionell responsregulator (PhoB/PhoR) på den cytoplasmatiska sidan av membranet. Dessa proteiner binder till uppströmspromotorer i pho-regulonet för att inducera en generell förändring i gentranskription . Detta inträffar när cellen känner av låga koncentrationer av fosfat i sin inre miljö, vilket gör att responsregulatorn fosforyleras, vilket inducerar en total minskning av gentranskriptionen. Denna mekanism är allestädes närvarande inom gram -positiva, gram-negativa, cyanobakterier , jästsvampar och arkéer .
Signaltransduktionsväg
Utarmning av oorganiskt fosfat i cellen krävs för aktivering av Pho-regulonet i de flesta prokaryoter . I den vanligast studerade bakterien, E. coli, används sju totala proteiner för att detektera intracellulära nivåer av oorganiskt fosfat tillsammans med transfusion av den signalen på lämpligt sätt. Av de sju proteinerna är ett ett metallbindande protein (PhoU) och fyra är fosfatspecifika transportörer (Pst S, Pst C, Pst A och Pst B). Den transkriptionella responsregulatorn PhoR aktiverar PhoB när den känner av låga intracellulära oorganiska fosfatnivåer.
Alternativ fosfatanvändning
Även om oorganiskt fosfat främst används i Pho-regulonsystemet, finns det flera arter av bakterier som kan använda olika former av fosfat. Ett exempel ses i E. coli som kan använda både oorganiskt och organiskt fosfat, samt naturligt förekommande eller syntetiska fosfater (Phn). Flera enzymer bryter ner föreningarna i de alternativa fosfaterna, vilket gör att organismen kan använda fosfatet via CP-lyasvägen . Andra arter av bakterier som Pseudomonas aeruginosa och Salmonella typhimurium använder en annan väg som kallas fosfonatasvägen, medan bakterien Enterobacter aerogenes kan använda endera av vägarna för att klyva CP-bindningen som finns i de alternativa fosfaterna.
Bevarande bland bakteriearter
Även om Pho-regulonsystemet är mest studerat i Escherichia coli, finns det i andra bakteriearter som Pseudomonas fluorescens och Bacillus subtilis . I Pseudomonas fluorescens behåller den transkriptionella responsregulatorn (PhoB/PhoR) samma funktion som de spelar i E. coli . Bacillus subtilis delar också vissa likheter när de möter låga intracellulära fosfatkoncentrationer. Under fosfatsvälta förhållanden B. subtilis sin transkriptionsregulator PhoP och histidinkinaset PhoR till Pho-regulon-genen som inducerar en produktion av teichuronsyra. Dessutom har nyare studier föreslagit den kritiska roll som techoic syra spelar i cellväggen hos B. subtilis, genom att fungera som en fosfatreservoar och lagra den nödvändiga mängden oorganiskt fosfat under fosfatsvälta förhållanden.
Pho-regulonets effekt på patogenes
Eftersom bakterier använder Pho-regulonet för att upprätthålla homeostas av Pi, har den den extra effekten att den används för att kontrollera andra gener. Många av de andra generna som aktiveras eller undertrycks av Pho-regulonet orsakar virulens hos bakteriella patogener. Tre sätt som detta regulon påverkar virulens och patogenicitet är toxinproduktion, biofilmbildning och syratolerans.
Toxinproduktion
Pseudomonas aeruginosa är en känd opportunistisk patogen. En av dess virulensfaktorer är dess förmåga att producera pyocyanin , ett toxin som frigörs för att döda både mikrober och däggdjursceller. Pyocyaninproduktionen sker när den aktiveras av PhoB. Detta innebär att P. aeruginosa använder den låga Pi som en signal om att värden har blivit skadad och för att börja producera toxin för att förbättra chanserna att överleva.
I motsats till P. aeruginosa har Vibrio cholerae sina toxingener undertryckta av PhoB . Man tror att PhoB i V. cholerae aktiveras när Pi är lågt för att förhindra produktionen av toxiner. Det skulle kunna aktiveras av andra signaler i miljön, men det har visat sig att PhoB direkt hämmar toxinerproduktionen genom att binda till tcpPH- promotorn och stoppa ToxR-regulonet från att aktiveras. Bevis som stöder Pi eftersom signalen ges av hur regulonet inte undertrycks under höga Pi-förhållanden. Den regulatoriska kaskaden undertrycks endast under låga Pi-förhållanden.
Biofilmbildning
Biofilmer är en blandning av mikroorganismer, skiktade tillsammans och vanligtvis vidhäftade på en yta. Fördelarna med en biofilm inkluderar resistens mot miljöpåfrestningar, antibiotika och förmågan att lättare få i sig näringsämnen. PhoB används för att förbättra biofilmbildning i miljöer där Pi inte är i tillräcklig mängd. Detta har visats i flera mikrober inklusive Pseudomonas, V. cholera och E. coli. Detta är inte alltid effekten av Pho regulon som för andra arter i olika miljöer är det mer fördelaktigt att inte vara i biofilm när Pi är låg. I dessa fall undertrycker PhoB biofilmbildning.
Syratolerans
E. coli har ett protein för att skydda andra periplasmatiska proteiner från miljöer med lågt pH som kallas Asr-proteinet. Genen som är ansvarig för detta protein är PhoB-beroende och kan endast slås på när Pho-regulonet aktiveras av låg Pi-koncentration. E. coli motståndskraft mot sura stötar, vilket gör att det kan överleva i miljöer som magen som har ett lågt pH. Många syratoleransgener induceras av mer än bara miljön med lågt pH och kräver att andra miljösignaler finns närvarande för att kunna aktiveras. Dessa specifika näringsämnen är närvarande eller i låga koncentrationer, anaerobios och värdproducerade faktorer.