Pho regulon
Regulon fosforanowy ( Pho ) jest mechanizmem regulacyjnym używanym do zachowania i zarządzania nieorganicznymi fosforanami w komórce . Po raz pierwszy został odkryty w Escherichia coli jako system operacyjny dla szczepu bakteryjnego, a później został zidentyfikowany u innych gatunków. System Pho składa się z różnych składników, w tym enzymów zewnątrzkomórkowych i transporterów które oprócz ekstrakcji nieorganicznego fosforanu ze źródeł organicznych są zdolne do asymilacji fosforanów. Jest to niezbędny proces, ponieważ fosforan odgrywa ważną rolę w błonach komórkowych, ekspresji genetycznej i metabolizmie w komórce. Przy niskiej dostępności składników odżywczych regulacja Pho pomaga komórce przetrwać i rozwijać się pomimo wyczerpania fosforanów w środowisku. Kiedy to nastąpi, geny indukowane głodem fosforanowym ( psi ) aktywują inne białka, które pomagają w transporcie nieorganicznego fosforanu.
Funkcjonować
Regulon Pho jest kontrolowany przez dwuskładnikowy system regulacyjny składający się z białka czujnikowego kinazy histydynowej (PhoR) w błonie wewnętrznej i regulatora odpowiedzi transkrypcyjnej (PhoB/PhoR) po cytoplazmatycznej stronie błony. Białka te wiążą się z górnymi promotorami w regulonie pho w celu wywołania ogólnej zmiany w transkrypcji genów . Dzieje się tak, gdy komórka wyczuwa niskie stężenia fosforanów w swoim środowisku wewnętrznym, powodując fosforylację regulatora odpowiedzi, co powoduje ogólny spadek transkrypcji genów. Mechanizm ten jest wszechobecny w Gram -dodatnich, Gram-ujemnych, sinicach , drożdżach i archeonach .
Szlak transdukcji sygnału
Wyczerpanie nieorganicznego fosforanu w komórce jest wymagane do aktywacji regulatora Pho u większości prokariotów . W najczęściej badanych bakteriach, E. coli, siedem białek ogółem jest używanych do wykrywania wewnątrzkomórkowych poziomów nieorganicznego fosforanu wraz z odpowiednią transfuzją tego sygnału. Z siedmiu białek jedno jest białkiem wiążącym metale (PhoU), a cztery to transportery specyficzne dla fosforanów (Pst S, Pst C, Pst A i Pst B). Regulator odpowiedzi transkrypcyjnej PhoR aktywuje PhoB, gdy wykryje niski poziom wewnątrzkomórkowego nieorganicznego fosforanu.
Alternatywne użycie fosforanów
Chociaż nieorganiczny fosforan jest używany głównie w systemie Pho regulon, istnieje kilka gatunków bakterii, które mogą wykorzystywać różne formy fosforanu. Jeden przykład widać w E. coli , która może wykorzystywać zarówno nieorganiczne, jak i organiczne fosforany, jak również naturalnie występujące lub syntetyczne fosforany (Phn). Kilka enzymów rozkłada związki alternatywnych fosforanów, umożliwiając organizmowi wykorzystanie fosforanu poprzez liazy CP . Inne gatunki bakterii, takie jak Pseudomonas aeruginosa i Salmonella typhimurium wykorzystują inny szlak zwany szlakiem fosfonatazy, podczas gdy bakteria Enterobacter aerogenes może wykorzystywać jeden ze szlaków do rozszczepienia wiązania CP występującego w alternatywnych fosforanach.
Ochrona wśród gatunków bakterii
Chociaż system Pho regulon jest najszerzej badany w Escherichia coli, można go znaleźć w innych gatunkach bakterii, takich jak Pseudomonas fluorescens i Bacillus subtilis . U Pseudomonas fluorescens regulator odpowiedzi transkrypcyjnej (PhoB/PhoR) zachowuje tę samą funkcję, jaką pełni u E. coli . Bacillus subtilis ma również pewne podobieństwa w przypadku napotkania niskich wewnątrzkomórkowych stężeń fosforanów. W warunkach niedoboru fosforanów B. subtilis wiąże swój regulator transkrypcji PhoP i kinazę histydynową PhoR z genem Pho-regulon, który indukuje produkcję kwasu teichuronowego. Ponadto ostatnie badania sugerują kluczową rolę, jaką kwas techoowy odgrywa w ścianie komórkowej B. subtilis, działając jako rezerwuar fosforanów i przechowując niezbędną ilość nieorganicznego fosforanu w warunkach niedoboru fosforanów.
Wpływ regulatora Pho na patogenezę
Ponieważ bakterie wykorzystują regulator Pho do utrzymania homeostazy Pi, ma on dodatkowy efekt w postaci wykorzystania go do kontrolowania innych genów. Wiele innych genów aktywowanych lub tłumionych przez regulator Pho powoduje zjadliwość patogenów bakteryjnych. Trzy sposoby, w jakie ten regulon wpływa na zjadliwość i patogeniczność, to produkcja toksyn, tworzenie biofilmu i tolerancja na kwasy.
Produkcja toksyn
Pseudomonas aeruginosa jest znanym patogenem oportunistycznym. Jednym z jego czynników wirulencji jest zdolność do wytwarzania piocyjaniny , toksyny uwalnianej w celu zabicia zarówno drobnoustrojów, jak i komórek ssaków. Produkcja piocyjaniny zachodzi po aktywacji przez PhoB. Oznacza to, że P. aeruginosa wykorzystuje niskie Pi jako sygnał, że żywiciel został uszkodzony i zaczyna wytwarzać toksynę, aby zwiększyć szanse na przeżycie.
W przeciwieństwie do P. aeruginosa , Vibrio cholerae ma geny toksyn stłumione przez PhoB. Uważa się, że PhoB w V. cholerae jest aktywowany, gdy Pi jest niskie, aby zapobiec wytwarzaniu toksyn. Może być aktywowany przez inne sygnały w środowisku, ale wykazano, że PhoB bezpośrednio hamuje produkcję toksyn, wiążąc się z promotorem tcpPH i powstrzymując aktywację regulatora ToxR. Dowody potwierdzające Pi jako sygnał wynikają z tego, jak regulon nie jest tłumiony w warunkach wysokiego Pi. Kaskada regulacyjna jest tłumiona tylko w warunkach niskiego Pi.
Tworzenie biofilmu
Biofilmy to mieszanina mikroorganizmów ułożonych warstwowo i zwykle przylegających do powierzchni. Zalety biofilmu obejmują odporność na stresy środowiskowe, antybiotyki oraz zdolność do łatwiejszego pozyskiwania składników odżywczych. PhoB jest stosowany w celu zwiększenia tworzenia biofilmu w środowiskach, w których ilość Pi nie jest wystarczająca. Zostało to wykazane w przypadku wielu drobnoustrojów, w tym Pseudomonas, V. cholera i E. coli. Nie zawsze jest to efekt regulacji Pho, ponieważ dla innych gatunków w różnych środowiskach korzystniej jest nie znajdować się w biofilmie, gdy Pi jest niskie. W takich przypadkach PhoB hamuje tworzenie się biofilmu.
Tolerancja na kwasy
E. coli ma białko chroniące inne białka periplazmatyczne przed środowiskami o niskim pH, zwane białkiem Asr. Gen odpowiedzialny za to białko jest zależny od PhoB i może zostać włączony tylko wtedy, gdy regulator Pho jest aktywowany przez niskie stężenie Pi. Synteza białka Asr nadaje E. coli odporność na szok kwasowy , umożliwiając jej przetrwanie w środowiskach takich jak żołądek o niskim pH. Wiele genów tolerancji na kwasy jest indukowanych nie tylko przez środowisko o niskim pH i wymaga obecności innych sygnałów środowiskowych, aby mogły zostać aktywowane. Obecność tych specyficznych składników odżywczych lub w niskich stężeniach powoduje beztlenowce i czynniki wytwarzane przez żywiciela.