Фосфат (Pho) Регулон - Phosphate (Pho) Regulon

Рисунок 1. Диаграмма, изображающая регулирование неорганического фосфата в клеточной системе.

В Фосфат (Pho) регулон это бактериальный регулирующий механизм, используемый для сохранения и управления неорганическими фосфат в пределах клетка. Впервые он был обнаружен в кишечная палочка как операционная система для бактериального штамма, а затем была идентифицирована у других видов.[1] Система Pho состоит из различных компонентов, в том числе внеклеточных. ферменты и транспортеры которые способны усваивать фосфаты в дополнение к извлечению неорганического фосфата из органических источников.[2] Это важный процесс, поскольку фосфат играет важную роль в клеточных мембранах, генетическое выражение, и метаболизм внутри клетки. В условиях низкой доступности питательных веществ регулятор Pho помогает клетке выжить и развиваться, несмотря на истощение фосфатов в окружающей среде. Когда это происходит, индуцируемые фосфатным голоданием (psi) гены активируют другие белки, которые помогают транспортировать неорганический фосфат.[3]

Функция

Реглон Pho состоит из двух основных компонентов, включая гистидинкиназа сенсорный белок (PhoR) внутри внутренней мембраны и регулятор ответа транскрипции (PhoB / PhoR) на цитоплазматической стороне мембраны.[2] Эти белки связываются с вышестоящими промоторами в фоторегулоне, чтобы вызвать общее изменение транскрипция гена. Это происходит, когда клетка ощущает низкие концентрации фосфата в своей внутренней среде, вызывая фосфорилирование регулятора ответа, вызывая общее снижение транскрипции гена. Этот механизм повсеместен в грамм -положительный, грамотрицательный, цианобактерии, дрожжи, и археи.[3]

Путь передачи сигнала

Истощение запасов неорганического фосфата в клетке необходимо для активации регулона Pho в большинстве случаев. прокариоты. У наиболее часто изучаемой бактерии Кишечная палочка, Всего семь белков используются для определения внутриклеточных уровней неорганического фосфата наряду с соответствующим переливанием этого сигнала.[2] Из семи белков один является металлсвязывающим белком (PhoU), а четыре - фосфат-специфическими переносчиками (Pst S, Pst C, Pst A и Pst B). Регулятор транскрипционной реакции PhoR активирует PhoB, когда обнаруживает низкие уровни внутриклеточного неорганического фосфата.

Альтернативное использование фосфатов

Хотя неорганический фосфат в основном используется в системе Pho Regulon, существует несколько видов бактерий, которые могут использовать различные формы фосфата. Один пример можно увидеть в Кишечная палочка которые могут использовать как неорганические, так и органические фосфаты, а также встречающиеся в природе или синтетические фосфаты (Phn).[3] Некоторые ферменты расщепляют соединения альтернативных фосфатов, позволяя организму использовать фосфат через C-P лиаза путь.[3] Другие виды бактерий, например Синегнойная палочка и Сальмонелла тифимуриум используют другой путь, называемый фосфонатазным путем, тогда как бактерия Enterobacter aerogenes может использовать любой из путей расщепления связи C-P, обнаруженной в альтернативных фосфатах.[3]

Сохранение среди видов бактерий

Хотя система регулона Pho наиболее широко изучается в кишечная палочка он обнаружен у других видов бактерий, таких как Pseudomonas fluorescens и Bacillus subtilis. В Pseudomonas fluorescens, регулятор ответа транскрипции (PhoB / PhoR) сохраняет ту же функцию, что и Кишечная палочка.[4] Bacillus subtilis также имеет некоторые сходства при обнаружении низких концентраций внутриклеточного фосфата. В условиях дефицита фосфатов Б. subtilis связывает свой регулятор транскрипции PhoP и гистидинкиназу PhoR с геном Pho-регулона, который индуцирует выработку тейхуроновой кислоты.[5] Более того, недавние исследования подтвердили важную роль техоевой кислоты в клеточной стенке B. subtilis, действуя как резервуар фосфата и сохраняя необходимое количество неорганического фосфата в условиях дефицита фосфата.[6]

Влияние Pho Regulon на патогенез

Поскольку бактерии используют регулон Pho для поддержания гомеостаза Pi, он имеет дополнительный эффект, поскольку используется для контроля других генов. Многие другие гены, активируемые или подавляемые регулятороном Pho, вызывают вирулентность бактериальных патогенов. Этот регулон влияет на вирулентность и патогенность тремя способами: выработка токсинов, образование биопленок и устойчивость к кислотам.[2]

Производство токсинов

Синегнойная палочка - известный условно-патогенный микроорганизм.[2] Одним из факторов его вирулентности является его способность производить пиоцианин, токсин, который убивает как микробы, так и клетки млекопитающих. Производство пиоцианина происходит при активации PhoB.[2] Отсюда следует, что P. aeruginosa использует низкий Pi как сигнал о том, что хозяин был поврежден, и начинает вырабатывать токсин, чтобы повысить шансы на выживание.

В отличие от P. aeruginosa, холерный вибрион гены токсинов репрессированы PhoB. Считается, что PhoB в В. холера активируется, когда Pi низкий, чтобы предотвратить выработку токсинов.[7] Он может быть активирован другими сигналами в окружающей среде,[7] но было показано, что PhoB напрямую подавляет выработку токсинов, связываясь с tcpPH промотор и остановка активации регулона ToxR.[7] Доказательства того, что Pi является сигналом, даются тем, что регулон не подавляется в условиях высокого Pi. Регуляторный каскад подавляется только в условиях низкого Pi.[2]

Образование биопленки

Биопленки представляют собой смесь микроорганизмов, наслоенных друг на друга и обычно прикрепленных к поверхности. Преимущества биопленки включают устойчивость к стрессам окружающей среды, антибиотикам и способность легче получать питательные вещества.[2] PhoB используется для усиления образования биопленок в средах, где Pi недостаточно. Это было показано на множестве микробов, включая Pseudomonas, V. cholera, и E. coli.[4] Это не всегда эффект регулона Pho, так как для других видов в различных средах более выгодно не находиться в биопленке, когда Pi низкий. В этих случаях PhoB подавляет образование биопленок.[2]

Кислотостойкость

Кишечная палочка содержит белок для защиты других периплазматических белков от среды с низким pH, называемый белком Asr. Ген, ответственный за этот белок, зависит от PhoB и может быть включен только тогда, когда регулятор Pho активируется низкой концентрацией Pi.[8] Синтез белка Asr придает устойчивость к кислотному шоку Кишечная палочка позволяя ему выжить в таких средах, как желудок, с низким pH.[2] Многие гены устойчивости к кислоте индуцируются не только окружающей средой с низким pH, и для их активации требуется наличие других сигналов окружающей среды. Эти специфические питательные вещества присутствуют или в низких концентрациях, анаэробиоз, и факторы, производимые хозяином.[8]

Рекомендации

  1. ^ Wanner, B.L .; Чанг, Б. Д. (декабрь 1987 г.). «Оперон phoBR в Escherichia coli K-12». Журнал бактериологии. 169 (12): 5569–5574. Дои:10.1128 / jb.169.12.5569-5574.1987. ISSN  0021-9193. ЧВК  213987. PMID  2824439.
  2. ^ а б c d е ж грамм час я j Сантос-Бенеит, Фернандо (30 апреля 2015 г.). «Реглон Pho: огромная регуляторная сеть у бактерий». Границы микробиологии. 6: 402. Дои:10.3389 / fmicb.2015.00402. ISSN  1664-302X. ЧВК  4415409. PMID  25983732.
  3. ^ а б c d е Вершинина, О. А .; Знаменская, Л. В. (2002). "Pho Regulons бактерий". Микробиология. 71 (5): 497–511. Дои:10.1023 / а: 1020547616096. ISSN  0026-2617.
  4. ^ а б Monds, Russell D .; Ньюэлл, Питер Д.; Schwartzman, Julia A .; О'Тул, Джордж А. (01.03.2006). «Сохранение регулона Pho в Pseudomonas fluorescens Pf0-1». Прикладная и экологическая микробиология. 72 (3): 1910–1924. Дои:10.1128 / AEM.72.3.1910-1924.2006. ISSN  0099-2240. ЧВК  1393216. PMID  16517638.
  5. ^ Лю, Вэй; Хьюлетт, Ф. Марион (1998). «Сравнение связывания PhoP с промотором tuaA со связыванием PhoP с другими промоторами Pho-регулона устанавливает сайт связывания ядра Bacillus subtilis Pho». Микробиология. 144 (5): 1443–1450. Дои:10.1099/00221287-144-5-1443. ISSN  1350-0872. PMID  9611818. S2CID  7062262.
  6. ^ Bhavsar, Amit P .; Эрдман, Лаура К .; Schertzer, Джеффри У .; Браун, Эрик Д. (2004-12-01). «Тейхоевая кислота является важным полимером в Bacillus subtilis, который функционально отличается от тейхуроновой кислоты». Журнал бактериологии. 186 (23): 7865–7873. Дои:10.1128 / JB.186.23.7865-7873.2004. ISSN  0021-9193. ЧВК  529093. PMID  15547257.
  7. ^ а б c Пратт, Джейсон Т .; Исмаил, Айман М .; Камилли, Эндрю (сентябрь 2010 г.). «PhoB регулирует экспрессию генов окружающей среды и вирулентности у Vibrio cholerae». Молекулярная микробиология. 77 (6): 1595–1605. Дои:10.1111 / j.1365-2958.2010.07310.x. ISSN  0950-382X. ЧВК  2981138. PMID  20659293.
  8. ^ а б Сужеделене, Эдита; Сужеделис, Кястутис; Гарбенчюте, Вайда; Нормарк, Стаффан (апрель 1999 г.). «Кислотно-индуцируемый ген asr в Escherichia coli: транскрипционный контроль с помощью оперона phoBR». Журнал бактериологии. 181 (7): 2084–2093. Дои:10.1128 / JB.181.7.2084-2093.1999. ISSN  0021-9193. ЧВК  93620. PMID  10094685.