Изменение фазы - Phase variation

В биология, изменение фазы это метод работы с быстро меняющейся средой, не требующий случайной мутации. Он включает в себя вариацию экспрессии белка, часто включающую-выключающую, в разных частях бактериальной популяции. Таким образом, фенотип может переключаться с частотами, которые намного выше (иногда> 1%), чем частота классических мутаций. Фазовое изменение способствует вирулентности, создавая гетерогенность. Хотя это чаще всего изучается в контексте иммунное уклонение, он наблюдается и во многих других областях и используется различными типами бактерий, в том числе Сальмонелла разновидность.

Сальмонелла используйте эту технику для переключения между разными типами белка флагеллин. В результате собираются жгутики с разным строением. Как только адаптивный ответ был установлен против одного типа флагеллина или если предыдущее столкновение оставило адаптивную иммунную систему готовой работать с одним типом флагеллина, переключение типов делает ранее высокоаффинные антитела, TCR и BCR неэффективными против жгутиков.

Сайт-специфическая рекомбинация

Сайт-специфические рекомбинации обычно короткие и происходят в одном целевом сайте в рекомбинирующей последовательности. Для этого обычно существует один или несколько кофакторов (и это лишь некоторые из них: ДНК-связывающие белки и наличие или отсутствие сайтов связывания ДНК) и сайт-специфичный рекомбиназа.[1] Происходит изменение ориентации ДНК, которое влияет на экспрессию гена или структуру генного продукта.[2] Это достигается путем изменения пространственного расположения промотора или регуляторных элементов.[1]

Инверсия

Сайт-специфическая рекомбинация фазовых вариаций - инверсия

За счет использования конкретных рекомбиназ конкретная последовательность ДНК инвертируется, что приводит к переключению с ВКЛ на ВЫКЛ и наоборот для гена, расположенного внутри или рядом с этим переключателем. Многие виды бактерий могут использовать инверсию для изменения экспрессии определенных генов в пользу бактерий во время инфекции.[1] Событие инверсии может быть простым включением переключателя в экспрессию одного гена, например Кишечная палочка пилина, или, что более сложно, за счет вовлечения нескольких генов в экспрессию нескольких типов флагеллина посредством S. typhimurium.[3] Адгезия фимбрия фимбриями I типа в Кишечная палочка подвергается сайт-специфической инверсии, чтобы регулировать экспрессию FIMA, основная субъединица пилей, в зависимости от стадии инфекции. В обратимом элементе есть промотор, который в зависимости от ориентации включает или выключает транскрипцию FIMA. Инверсия опосредуется двумя рекомбиназами, FimB и FimE, и регуляторными белками H-NS, интеграционным фактором хозяина (IHF) и белком, чувствительным к лейцину (LRP). Рекомбиназа FimE способна только инвертировать элемент и выключать экспрессию, в то время как FimB может опосредовать инверсию в обоих направлениях.[4]

Вставка-иссечение

Если иссечение точное и восстановлена ​​исходная последовательность ДНК, обратимое изменение фазы может быть опосредовано транспозиция. Изменение фазы, опосредованное транспозицией, нацелено на конкретные последовательности ДНК.[5] P. atlantica содержит eps локус, который кодирует внеклеточный полисахарид, и экспрессия ON или OFF этого локуса контролируется наличием или отсутствием IS492. Две рекомбиназы, кодируемые MooV и Piv опосредуют точное удаление и вставку, соответственно, вставляемого элемента IS492 в eps локус. Когда IS492 иссекается, он становится круглым внехромосомным элементом, что приводит к восстановлению экспрессии eps.[5][6]

Другой, более сложный пример сайт-специфической перестройки ДНК используется в жгутиках Сальмонелла тифимуриум. В обычной фазе промоторная последовательность способствует экспрессии гена жгутика H2 вместе с репрессором гена жгутика H1. Как только эта промоторная последовательность инвертируется геном hin, репрессор выключается, как и H2, позволяя экспрессировать H1.

Преобразование гена

Основная статья: Преобразование гена

Преобразование генов - еще один пример разновидности фазового изменения. Пили IV типа Neisseria gonorrhoeae контролируются таким образом. Существует несколько копий гена, кодирующего эти пили (гена Pil), но в любой момент времени экспрессируется только одна. Это называется геном PilE. Молчащие версии этого гена, PilS, могут использовать гомологичную рекомбинацию для объединения с частями гена PilE и, таким образом, создания другого фенотипа. Это позволяет иметь до 10 000 000 различных фенотипов пилей.[нужна цитата ].

Эпигенетическая модификация - метилирование

В отличие от других механизмов изменения фазы, эпигенетический модификации не изменяют последовательность ДНК, и поэтому изменяется фенотип, а не генотип. Целостность генома не нарушена, и изменение, вызванное метилированием, изменяет связывание факторов транскрипции. Результатом является регуляция транскрипции, приводящая к переключению экспрессии генов.[2][5] Белок внешней мембраны Antigen 43 (Ag43) в Кишечная палочка контролируется фазовой изменчивостью, опосредованной двумя белками, ДНК-метилирующим ферментом дезоксиаденозинметилтрансферазой (Dam) и регулятором окислительного стресса OxyR. Ag43, расположенный на поверхности клетки, кодируется Agn43 ген (ранее обозначался как грипп) и важен для биопленки и инфекция. Выражение Agn43 зависит от связывания регуляторного белка OxyR. Когда OxyR связан с регуляторной областью Agn43, который перекрывается с промотором, он подавляет транскрипцию. Фаза ON транскрипции зависит от метилирования Dam последовательности GATC в начале Agn43 ген (который перекрывается с сайтом связывания OxyR). Когда Dam метилирует сайты GATC, он препятствует связыванию OxyR, обеспечивая транскрипцию Ag43.[7]

Вложенная инверсия ДНК

В этой форме фазовые вариации. Промоторная область генома может перемещаться от одной копии гена к другой через гомологичные рекомбинация. Это происходит с Campylobacter плод поверхностные белки. Несколько различных белков поверхностных антигенов все молчащие, кроме одного, и все они имеют консервативную область на 5'-конце. Затем промоторная последовательность может перемещаться между этими консервативными областями и обеспечивать экспрессию другого гена.[нужна цитата ].

Ошибочное спаривание прядей со смещением

Ошибочное спаривание прядей со смещением (SSM) - это процесс, который приводит к неправильному спариванию коротких повторяющихся последовательностей между материнской и дочерней цепями во время Синтез ДНК.[1] Этот RecA -независимый механизм может проявиться во время любого Репликация ДНК или же Ремонт ДНК и может быть на ведущей или отстающей нити. SSM может приводить к увеличению или уменьшению количества коротких повторяющихся последовательностей. Короткие повторяющиеся последовательности составляют от 1 до 7 нуклеотидов и могут быть гомогенными или гетерогенными повторяющимися последовательностями ДНК.[3]

Изменение фазы, неправильное спаривание нити

Измененная экспрессия гена является результатом SSM и в зависимости от того, где происходит увеличение или уменьшение коротких повторяющихся последовательностей по отношению к промотору, будет регулироваться на уровне транскрипции или трансляции.[8] Результатом является фаза включения или выключения гена или генов.

Регуляция транскрипции (нижняя часть рисунка) происходит несколькими способами. Один из возможных способов - если повторы расположены в промоторной области на РНК-полимераза сайт связывания, -10 и -35 перед геном (ами). Условно-патогенный возбудитель H. influenzae имеет два дивергентно ориентированных промотора и гены фимбрий hifA и hifB. Перекрытие промоутер области имеют повторы динуклеотидного ТА в последовательностях -10 и -35. Посредством SSM область повтора TA может подвергаться добавлению или вычитанию динуклеотидов TA, что приводит к обратимой фазе включения или фазе выключения транскрипции транскрипции hifA и hifB.[3][9] Второй способ, которым SSM индуцирует регуляцию транскрипции, заключается в изменении последовательностей коротких повторов, расположенных вне промотора. Если есть изменение в короткой повторяющейся последовательности, это может повлиять на связывание регуляторного белка, такого как активатор или репрессор. Это также может привести к различиям в посттранскрипционной стабильности мРНК.[5]

Трансляция белка может регулироваться SSM, если короткие повторяющиеся последовательности находятся в кодирующей области ген (верхняя часть рисунка). Изменение количества повторов в открытой рамке считывания может повлиять на кодон последовательность путем добавления преждевременного стоп-кодона или изменения последовательности белка. Это часто приводит к усеченному (в случае преждевременного стоп-кодона) и / или нефункциональному белку.

Рекомендации

  1. ^ а б c d Хендерсон И. Р., Оуэн П., Натаро Дж. П. (1999). «Молекулярные переключатели - включение и выключение изменения бактериальной фазы». Мол Микробиол. 33 (5): 919–32. Дои:10.1046 / j.1365-2958.1999.01555.x. PMID  10476027.
  2. ^ а б Компакт-диск Bayliss (2009). «Детерминанты скорости изменения фазы и последствия различий в пригодности для бактериальных патогенов и комменсалов». FEMS Microbiol Rev. 33 (3): 504–520. Дои:10.1111 / j.1574-6976.2009.00162.x. PMID  19222587.
  3. ^ а б c Вишневски-Дье Ф, Флакон L (2008). «Фазовые и антигенные вариации, опосредованные модификациями генома». Антони ван Левенгук. 94 (4): 493–515. Дои:10.1007 / s10482-008-9267-6. PMID  18663597.
  4. ^ Галли Д.Л., Боган Дж. А., Эйзенштейн Б. И., Бломфилд И. К. (1993). «Регулирование окружающей среды переключателя fim, контролирующего изменение фимбриальной фазы типа 1 у Escherichia coli K-12: влияние температуры и среды». J Бактериол. 175 (19): 6186–93. Дои:10.1128 / jb.175.19.6186-6193.1993. ЧВК  206713. PMID  8104927.
  5. ^ а б c d ван дер Вуде MW, Bäumler AJ (2004). «Фаза и антигенная изменчивость у бактерий». Clin Microbiol Rev. 17 (3): 581–611. Дои:10.1128 / CMR.17.3.581-611.2004. ЧВК  452554. PMID  15258095.
  6. ^ Хиггинс Б.П., Карпентер CD, Карлс А.С. (2007). «Хромосомный контекст управляет высокочастотным прецизионным удалением IS492 у Pseudoalteromonas atlantica». Proc Natl Acad Sci U S A. 104 (6): 1901–1906. Дои:10.1073 / pnas.0608633104. ЧВК  1794265. PMID  17264213.
  7. ^ ван дер Вуде MW, Henderson IR (2008). «Регулирование и функция Ag43 (грипп)». Анну Рев Микробиол. 62: 153–169. Дои:10.1146 / annurev.micro.62.081307.162938. PMID  18785838.
  8. ^ Торрес-Крус Дж, ван дер Вуде М.В. (2003). «Неправильное спаривание смещенной нити может функционировать как механизм изменения фазы у Escherichia coli». J Бактериол. 185 (23): 6990–6994. Дои:10.1128 / JB.185.23.6990-6994.2003. ЧВК  262711. PMID  14617664.
  9. ^ ван Хам С. М., ван Альфен Л., Моой Ф. Р., ван Путтен Дж. П. (1993). «Фазовое изменение fimbriae H. influenzae: транскрипционный контроль двух дивергентных генов через вариабельную комбинированную промоторную область». Клетка. 73 (6): 1187–96. Дои:10.1016/0092-8674(93)90647-9. PMID  8513502.