Regulamin FNR
Gen fnr ( reduktaza fumaranowa i azotanowa ) Escherichia coli koduje aktywator transkrypcji ( FNR ), który jest wymagany do ekspresji szeregu genów zaangażowanych w beztlenowe szlaki oddechowe. Białko FNR (z defektem redukcji fumaranów i azotanów ) E. coli jest regulatorem transkrypcji reagującym na tlen, niezbędnym do przejścia z metabolizmu tlenowego na beztlenowy .
„Mutanty typu III, pierwotnie frdB , zostały oznaczone jako fnr , ponieważ miały defekt w redukcji fumaranów i azotanów oraz upośledzoną zdolność do wytwarzania gazu”. - Lambden i Guest, 1976 Journal of General Microbiology 97 , 145-160
Gen fnr ulega ekspresji zarówno w warunkach tlenowych, jak i beztlenowych i podlega autoregulacji i represji przez glukozę , zwłaszcza podczas wzrostu beztlenowego.
Stan funkcjonalny FNR określa się przez (szybką) inaktywację FNR przez O2 i powolną (stałą) reaktywację z glutationem jako środkiem redukującym.
Regulacja FNR tlenem
Tylko wtedy, gdy ani O2, ani azotany nie są dostępne , syntetyzuje się reduktazę fumaranową i enzymy fermentacyjne . Przejście z oddychania tlenowego na azotanowe i fumaranowe lub fermentację odpowiada stopniowemu spadkowi wydajności ATP. Regulacja ta zapewnia preferencyjne wykorzystanie akceptorów elektronów o wysokiej wydajności ATP i jest realizowana przez regulatory reagujące na O 2 , azotany i fumarany . [ potrzebne źródło ]
Obecność tlenu
Domena sensoryczna FNR zawiera klaster Fe-S, który jest typu [4Fe-4S] 2+ w warunkach beztlenowych. Tlen jest dostarczany do cytoplazmatycznego FNR przez dyfuzję i dezaktywuje FNR przez bezpośrednie oddziaływanie. Klaster Fe-S jest przekształcany w [3Fe-4S] + lub [2Fe-4S] + przez tlen, co powoduje inaktywację FNR. Po przedłużonej inkubacji z tlenem klaster Fe-S jest niszczony przez konwersję do klastera [2Fe-2S] i ostatecznie do apoFNR. [ potrzebne źródło ]
Brak tlenu
Interkonwersja aktywnego i nieaktywnego FNR jest procesem odwracalnym . Domena FNR wyczuwająca tlen zawiera eksponowany na powierzchni klaster Fe-S, który może reagować z komórkowymi reduktorami, takimi jak białka glutationowe lub tiolowe . Izoenzym IscS (gen iscS) jest jednym z najważniejszych wymagań do tworzenia [4Fe – 4S].FNR in vivo. Tworzenie [4Fe – 4S] FNR z apoFNR jest częścią syntezy de novo aktywnego FNR. Reakcja wymaga desulfurazy cysteiny, która katalizuje odsiarczanie cysteiny dostarczając HS- (przypuszczalnie poprzez nadsiarczek związany z enzymem) do tworzenia klastrów FeS. Nie wiadomo, czy glutation wspiera również konwersję [2Fe–2S] FNR do [4Fe–4S] FNR. W warunkach beztlenowych [4Fe-4S] FNR związany z 4 resztami cysteiny wiąże się z docelowymi miejscami DNA i kontroluje ekspresję odpowiednich genów. Docelowa sekwencja DNA zwana skrzynką Fnr ma następującą sekwencję konsensusową TTGATNNNNATCAA i jest zlokalizowana powyżej genów i operonów zależnych od Fnr. W warunkach niskiego poziomu tlenu dimer FNR E. coli rozpoznaje tę sekwencję i działa jako aktywator transkrypcji.
Tlen jest rzeczywistym sygnałem dla FNR, podczas gdy; redukcja służy jako ciągłe odwracanie FNR do stanu aktywnego. Jednak inaktywacja FNR wymaga jedynie środka utleniającego , a niekoniecznie samego tlenu. Żelicyjanek jest w stanie in vivo i in vitro promować inaktywację funkcji FNR lub zniszczenie [4Fe – 4S].FNR poprzez utlenianie klastra.
Geny regulowane przez FNR
FNR reprezentuje główny przełącznik, który zapewnia, że oddychanie tlenowe jest stosowane zamiast beztlenowego metabolizmu oddechowego lub fermentacji , po prostu dlatego, że ważne geny beztlenowe nie są wyrażane, chyba że FNR jest w swojej aktywnej (beztlenowej) formie. FNR jest bardzo ważnym czynnikiem transkrypcyjnym, który bierze udział w regulacji syntezy wielu genów. Ważne grupy genów E. coli regulowanych przez FNR
| Funkcja produktów genów | Przykład |
|---|---|
| Enzymy oddechowe | beztlenowa, tlenowa reduktaza fumaranowa (frdABCD) |
| Nośniki transbłonowe | Wypływ azotynów (narK ) |
| Katabolizm beztlenowy | fermentacja liaza mrówczanowo-pirogronianowa (pflA) |
| Regulatory genów | ArcA, FNR, (NarX) |
.png)
Aktywne białko FNR aktywuje i hamuje docelowe geny w odpowiedzi na beztlenowce. Hamuje również geny aerobowe, oksydazę cytochromu d i o oraz dehydrogenazę NADH II. Działa jako pozytywny regulator genów wyrażanych w warunkach fermentacji beztlenowej, takich jak aspartaza, hydrogenaza mrówczanowa, reduktaza fumaranowa i liaza mrówczanowa pirogronianu.
Regulacja systemu ArcA
Arc A jest regulowany przez FNR w warunkach beztlenowych. Beztlenowa aktywacja transkrypcji arcA wzrasta trzy- do czterokrotnie w obecności Fnr. Górny region regulatorowy arcA zawiera pięć przypuszczalnych sekwencji promotora i przypuszczalne miejsce wiązania Fnr. Identyfikacja miejsc startu transkrypcji wskazuje, że transkrypcja zachodzi w aerobiozie z trzech konstytutywnych promotorów upstream (Pe , Pd , Pc ) . W warunkach beztlenowych obecny jest dodatkowy całkowicie zależny od Fnr transkrypt rozpoczynający się od Pa . Oba te geny następnie negatywnie regulują gen sodA, kodujący dysmutazę ponadtlenkową manganu.
Regulacja układu NarX/NarL
Produkt genu fnr, plejotropowy aktywator transkrypcji , jest wymagany do ekspresji operonów kodujących kompleksy reduktazy azotanowej i fumaranowej. FNR, skuteczny utleniacz oddechowy, indukuje syntezę azotanowych enzymów oddechowych i jednocześnie hamuje syntezę enzymów odpowiedzialnych za oddychanie akceptorami o niższym potencjale. [ potrzebne źródło ]
U Escherichia coli beztlenowa ekspresja genów kodujących końcowe reduktazy azotanu (narGHJI) i sulfotlenku dimetylu (dmsABC) jest stymulowana przez globalny regulator beztlenowy – FNR. Zaproponowano, że zdolność FNR do aktywacji inicjacji transkrypcji zależy od interakcji białko-białko między polimerazą RNA a dwoma regionami aktywującymi (AR) FNR, FNR-AR1 i FNR-AR3. Ponadto, w obecności aktywowanego narL, efekt wiązania FNR z RNAP jest znacznie zmniejszony.
System eukariotyczny mający homolog do FNR
Fusarium oxysporum , członek rodziny grzybów , zawiera unikalny cytochrom P-450, którego geny po zsekwencjonowaniu wykazywały tę samą sekwencję, co miejsce wiązania FNR, wiążącego DNA białka czujnika O2, które pozytywnie reguluje ekspresję niedotlenienia miejsca w E. coli. Wyniki te wskazują na interesującą możliwość, że ekspresja systemu denitryfikacji grzybów jest również regulowana przez zestaw mechanizmów, tj. połączenie systemu podobnego do FNR i systemu reagującego na azotany/azotyny.