Uniwersalne białko stresu
| Uniwersalne białko stresu | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
 Struktura białka UspA z Lactobacillus plantarum
| |||||||||||
| identyfikatorów | |||||||||||
| Symbol | lp_3663 | ||||||||||
| Pfam | PF00582 | ||||||||||
| Klan Pfam | HUP | ||||||||||
| InterPro | IPR006016 | ||||||||||
| SCOP2 | 1mjh / ZAKRES / SUPFAM | ||||||||||
| |||||||||||
Uniwersalna domena białek stresu ( USP ) to nadrodzina konserwatywnych genów , które można znaleźć w bakteriach , archeonach , grzybach , pierwotniakach i roślinach . Białka zawierające domenę są indukowane przez wiele stresorów środowiskowych, takich jak głód składników odżywczych, susza, ekstremalne temperatury, wysokie zasolenie oraz obecność substancji rozprzęgających, antybiotyków i metali.
W obecności tych stresorów geny Usp są regulowane w górę, co powoduje wytwarzanie przez komórkę dużych ilości białek Usp . Nadprodukcja genów USP pozwala organizmom lepiej radzić sobie ze stresem dzięki w dużej mierze nieznanym mechanizmom. Jednak USP zmienią ekspresję różnych genów, które pomagają radzić sobie ze stresem.
Funkcjonować
Podstawową funkcją tej nadrodziny jest ochrona organizmu przed stresem środowiskowym , takim jak ekspozycja na światło UV , które może indukować geny zawierające domenę USP w celu ochrony DNA i bardziej ogólnie komórki przed dalszymi uszkodzeniami. Podczas głodu bakteryjnego , zwiększona regulacja genów USP często zatrzymuje wzrost komórek i promuje ich metabolizm, aby dostosować się do rzadkich składników odżywczych .
Ostatnie badania sugerują również, że białka zawierające tę domenę mają funkcje wykraczające poza sferę radzenia sobie ze stresem środowiskowym. Nachin i in. wykazali w Escherichia coli , że USP są zaangażowane w działania takie jak adhezja i ruchliwość . Naukowcy, poprzez „wyeliminowanie” genów USP znanych jako UspE i UspC , uzyskali wyniki sugerujące odpowiednio niezdolność do pływania i całkowity brak ruchliwości. I odwrotnie, mutanty genów UspF i UspG wykazano, że mają zwiększone zdolności pływackie. Dlatego na mobilność wpływają zarówno pozytywne, jak i negatywne USP w obrębie E. coli . To pokazuje, że wpływ USP w całej komórce może być powszechny z wielu powodów.
Dodatkowo w Halmonas elongate występuje USP o nazwie TeaD, który został opisany jako kluczowy regulator transportu ektoiny przez błonę komórkową. To pokazuje, jak wszechstronne mogą być USP. Ich funkcja, chociaż obejmuje przede wszystkim zwiększenie przeżywalności w stresujących warunkach, nie zawsze jest do tego ograniczona.
Ewolucja
Wszechobecny charakter tych białek sugeruje, że domena wyewoluowała w gatunkach przodków, jak również podkreśla wyraźne znaczenie biologiczne tych białek, aby nadal były obecne w trzech domenach życia. Sugerowano, że domena USP A była częścią starożytnej rodziny białek. Wynika to z podobieństwa budowy wielu daleko spokrewnionych organizmów. Aravind i in. potwierdził te idee obszerną analizą ewolucyjną. Aravind zasugerował, że białka te były częścią znacznie większej rodziny strukturalnej białek, która była obecna i zróżnicowana u naszego ostatniego uniwersalnego wspólnego przodka dla całego istniejącego życia. Sugerowano, że pierwotną funkcją jest domena wiążąca nukleotyd, która była zaangażowana w transdukcję sygnału
Struktura
Ponieważ domena USP jest szeroko rozpowszechniona w wielu organizmach, struktura tych białek jest bardzo zróżnicowana. W przypadku Haemophilus influenzae jego UspA znajduje się w cytoplazmie. Białko tworzy asymetryczny dimer o charakterystycznych strukturach fałd alfa i beta. Istnieją różnice między różnymi bakteriami w obszarach takich jak miejsca wiązania ATP . W tym przypadku UspA nie ma aktywności wiązania ATP. Ogólnie rzecz biorąc, USP tworzą dimery i mają domeny dla nukleotydów czynność wiążąca. Ponieważ jednak jest to tak zróżnicowana grupa, często z niewielką wiedzą na temat dokładnej struktury, nie jest możliwe komentowanie każdego USP. Oprócz tego UspA może znajdować się w różnych obszarach komórki. Na przykład w tym przypadku znajdował się w cytoplazmie , ale w przypadku innych może znajdować się w błonie komórkowej .
Bakteria
Wiele badań nad USP przeprowadza się na bakteriach, w szczególności E. coli (szczep K-12). W związku z tym wiele wiadomo o domenach USP u bakterii. W E. coli istnieje sześć rodzin domen USP, które są obecne w ponad 1000 różnych białek. Sześć rodzin to Usp A, -C, -D, -E, -F i -G, które są wyzwalane przez różne zniewagi środowiskowe i często działają poprzez różne mechanizmy.
UspA jest najczęściej badanym USP ze względu na jego powszechną obecność w genomach bakteryjnych. UspA jest szczególnie zaangażowany w odporność na ogromną liczbę stresorów, w szczególności narażenie na tetracyklinę i wysokie temperatury, z wyjątkiem braku reakcji na szok zimna. Uważa się, że UspA jest szczególnie ważny dla regeneracji E. coli po głodzeniu składników odżywczych. Wydaje się, że UspA w normalnych warunkach wzrostu nie wpływa na ekspresję genów. Jednak w stresujących warunkach, takich jak głód węgla, wykazano, że UspA ma globalny wpływ na ekspresję genów. Proponowany mechanizm takiej zmiany w Ekspresja genów polega na tym, że sugerowano, że UspA wiąże się z DNA. Gdy UspA ulega mutacji, E. coli staje się znacznie bardziej podatna na uszkodzenia DNA wywołane promieniowaniem UV. Należy zauważyć, że reakcje USP są niezależne od wielu innych reakcji stresowych obserwowanych u bakterii, takich jak rpoS .
Indukcję białek USP powiązano również z przemianami nie tylko w metabolizmie lub wzroście, ale także w zmianach całego fenotypu kolonii. Kolonie bakteryjne mogą wytwarzać formacje zwane biofilmami . Zhang i współpracownicy wykazali, że USP mogą być zaangażowane w promowanie biofilmów międzypływowych. Zaobserwowali, że podczas stresujących warunków z udziałem jonów metali i stresów oksydacyjnych tworzy się fenotyp biofilmu. Po analizie tych biofilmów można było zauważyć, że poziom UspA był znacznie podwyższony, co, jak sugeruje Zhang, może być zaangażowane w indukcję tworzenia biofilmu. Uważa się, że UspA może być zaangażowana w procesy sygnalizacyjne, które będą regulować w górę geny zaangażowane w produkcję biofilmu. Dzięki takim odkryciom zaczyna się akceptować, że USP działają przy użyciu niezwykle szerokiego zakresu mechanizmów zapewniających przeżycie komórek.
Rozporządzenie
U bakterii geny USP mogą być regulowane przez czynniki sigma w obrębie polimeraz RNA . Obejmuje to czynnik sigma σ70, który poprzez wiązanie się z pojedynczym regionem promotora zwiększa transkrypcję UspA w bakteriach. Geny są regulowane w sposób monocistronowy. Dodatkowo UspA, UspC, UspD i UspE są nadmiernie indukowane podczas fazy stacjonarnej poprzez regulację RecA. RecA jest znany ze swojego udziału w naprawie DNA poprzez rekombinację homologiczną po uszkodzeniu . W związku z tym uważa się, że cztery geny domeny Usp pośredniczą w zarządzaniu lub ochronie DNA. Niezależnie od mechanizmu wykazywanego przez białka, można stwierdzić, że domeny USP są kluczowe dla przetrwania wielu gatunków bakterii. Gomes i in. stwierdzili, że delecje UspA w Listerii poważnie upośledzają przeżywalność, jak również reakcję stresową Listerii in vitro i in vivo .
Geny domeny USP są regulowane przez szereg białek związanych ze wzrostem , naprawą DNA i podziałem komórkowym . Godna uwagi regulacja pozytywna zachodzi poprzez działanie szlaków regulacyjnych zależnych od ppGpp , RecA i FtsZ . Geny domeny USP są również pod kontrolą negatywną FadR.
Rośliny
Rośliny zawierają wiele setek domen i genów USP. Te geny są w szczególności indukowane przez stresy środowiskowe, takie jak susza . Kiedy pojawia się brak nawodnienia , zachodzą zmiany biochemiczne wywołane działaniem USP. W odpowiedzi na suszę dochodzi do zmniejszenia węgla w procesie fotosyntezy , a także do zmniejszenia metabolizmu energetycznego . Sugeruje się, że działania te mają miejsce ze względu na ich wpływ na zwiększenie oszczędności energii. Warunki ograniczające dostępność wody to powszechna presja środowiskowa, z którą rośliny będą musiały regularnie sobie radzić, w zależności od swojego siedliska. Te odporne fenotypy będą miały zwiększoną przeżywalność, ponieważ pozwolą roślinie oszczędzać energię w czasach ograniczonej ilości wody, która jest kluczem do produkcji glukozy w procesie fotosyntezy .
Znaczenie kliniczne
Gruźlica
Mycobacterium tuberculosis , czynnik zakaźny odpowiedzialny za gruźlicę (TB), utrzymuje się u około dwóch miliardów ludzi. Gruźlica jest znana ze swojej zdolności do przejścia w stan utajony, w którym występuje powolny wzrost, ale wysoka trwałość w obrębie ssaków-żywicieli w strukturach znanych jako ziarniniaki . Te struktury ziarniniakowe składają się z różnych materiałów komórkowych i komórek odpornościowych. Należą do nich makrofagi, neutrofile, celuloza i tłuszcze. Od dawna sugerowano, że USP odgrywają znaczącą rolę w utrzymywaniu się gruźlicy w ludzkim gospodarzu. Wynika to z obserwacji podwyższonego poziomu Usp geny w obrębie M. tuberculosis w stadium utajonego ziarniniaka zakażenia.
Istnieje osiem rodzajów USP w obrębie M. tuberculosis , z których wszystkie mają domenę wiążącą ATP. Stwierdzono, że w obrębie M. tuberculosis te USP są regulowane przez FtsK i FadR. Jedno z niedawnych odkryć pokazuje, że indukcja USP w M. tuberculosis skutkuje aktywnością wiązania USP z wewnątrzkomórkowym cAMP, co ma pośredni wpływ na transkrypcję w bakteriach.
niektóre z USP M. tuberculosis są indukowane warunkami niedotlenienia występującymi w ziarniniaku. Konkretnie, Rv2623, rodzaj USP w M. tuberculosis , jest indukowany przez obecność tlenku azotu , reaktywnych form tlenu i obniżenie pH . Sugeruje się, że wszystkie te stany są spowodowane działaniem makrofagów które są szczególnie rozpowszechnione w strukturach ziarniniaka charakterystycznych dla utajonych zakażeń gruźlicą. Stwierdzono, że warunki te regulują w górę określony gen USP o nazwie rv2623 , a także dodatkowe 50 genów zaangażowanych w długoterminową trwałość u gospodarza-ssaka. Zasugerowano, że ten gen USP był zaangażowany w indukcję utajonej odpowiedzi w gospodarzu-ssaku. Ten etap infekcji jest obecnie przewlekły i nie ma skutecznych metod leczenia. To sprawia, że tego rodzaju odkrycia są niezwykle cenne.
Rv2623 ma domenę wiążącą ATP, której wyeliminowanie prowadzi do hiperzjadliwej postaci bakterii. Zrozumienie tych procesów pomaga naukowcom w dążeniu do zapewnienia skutecznego leczenia osób cierpiących na gruźlicę. Rv2623 jest również kluczowym biomarkerem wspomagającym proces diagnostyczny gruźlicy. Dlatego te geny USP mogą mieć kluczowe znaczenie dla długoterminowego przeżycia bakterii, co oznacza, że mogą istnieć potencjalne ścieżki badań terapeutycznych do zbadania w leczeniu utajonej gruźlicy. Dzieje się tak w czasie, gdy gruźlica zabija wiele tysięcy ludzi dziennie i staje się coraz bardziej problematyczna w leczeniu wraz ze wzrostem liczby wielolekoopornych gruźlicy .
Salmonella
Podobnie USP mają kluczowe znaczenie dla przetrwania Salmonelli , czynnika sprawczego Salmonellozy. W krajach rozwijających się zatrucie pokarmowe tego rodzaju jest stanem potencjalnie zagrażającym życiu. USP mają wpływ na zatrzymanie wzrostu, reakcje na stres i zjadliwość. UspA jest indukowana przez stres metaboliczny , oksydacyjny i związany z temperaturą . W tych warunkach UspA jest nadprodukowana poprzez regulację transkrypcji przez ppGpp i RecA. Sugeruje się, że te odpowiedzi są zaangażowane w ochronę DNA. W rezultacie UspA pomaga Salmonelli oprzeć się stresorom wytwarzanym przez ssaka układ odpornościowy pomagający w przetrwaniu, a tym samym chorobotwórczość. Gdy UspA jest inaktywowane w Salmonelli, mutanty umierają przedwcześnie, co pokazuje, jak kluczowe znaczenie mają te białka dla przetrwania i przetrwania. Ponownie zrozumienie tych procesów może pomóc naukowcom w opracowaniu skutecznych leków do leczenia tych infekcji.
Linki zewnętrzne
- WikiGenes: UspA - uniwersalny regulator stresu
- PortEco: Baza danych genów - UspA
- Struktura WPB UspA
- EMBL-EBI Pfam dla UspA