Универсальный стресс-протеин - Universal stress protein

Универсальный стрессовый протеин А
Структура белка UspA из Lactobacillus plantarum
Структура белка UspA из Lactobacillus plantarum [1]
Идентификаторы
Символlp_3663
PfamPF00582
Pfam кланHUP
ИнтерПроIPR006016
SCOP21мжч / Объем / СУПФАМ

В универсальный стресс-белок (USP) домен является надсемейство из консервативные гены который можно найти в бактерии, археи, грибы, простейшие и растения.[2] Белки, содержащие домен, индуцируются многими факторами окружающей среды, такими как голодание по питательным веществам, засуха, экстремальные температуры, высокая соленость и присутствие разобщителей, антибиотиков и металлов.[2]

В присутствии этих стрессоров УСП гены активируются, что приводит к большому количеству Usp белки производятся ячейка. Превышение производства USP гены позволяет организмы лучше справляться со стрессами с помощью в значительной степени неизвестных механизмов. Тем не менее, USP изменят экспрессию множества генов, которые помогают справляться со стрессом.[3]

Функция

Белковая структура универсального стрессового белка, обнаруженного в Haemophylus influenzae [4]

Основная функция этого суперсемейства - защищать организм от экологический стресс например, воздействие УФ-излучение, что может вызвать гены содержащий домен USP, чтобы защитить ДНК и вообще клетка от дальнейшего повреждения.[2] В течение бактериальный голодание активированные гены USP часто останавливают рост клеток и способствовать его метаболизму, чтобы адаптироваться к редким питательные вещества.[2]

Недавние исследования также показывают, что белки, содержащие этот домен, имеют функции, выходящие за рамки борьбы со стрессами окружающей среды.[5] Начин и др. продемонстрировано в кишечная палочка что УТП участвуют в таких действиях, как адгезия и подвижность. Исследователи с помощью "выбивание" Гены USP, известные как UspE и UspC, увидели результаты, свидетельствующие о неспособности плавать и полном отсутствии моторики соответственно. И наоборот, мутанты по генам UspF и УСПГ были показаны улучшенные плавательные способности. Следовательно, на мобильность влияют как положительно, так и отрицательно УТП внутри Кишечная палочка. Это демонстрирует, что влияние УТП по всей ячейке может быть широко распространено по ряду причин.

Кроме того, в Хальмона удлиненная, есть USP под названием TeaD, который был описан как ключевой регулятор в транспорт из Эктоин через клеточную мембрану.[6] Это демонстрирует, насколько универсальными могут быть УТП. Их функция, хотя в первую очередь заключается в повышении выживаемости в стрессовых условиях, не всегда этим ограничивается.

Эволюция

Повсеместная природа этих белков предполагает, что домен развился у предков, а также подчеркивает очевидное биологическое значение, которое эти белки имеют для того, чтобы все еще присутствовать в трех областях жизни. Было высказано предположение, что домен USP A был частью древнего семейства белков. Это связано со сходством строения между многими отдаленно родственными организмами.[7] Aravind et al. подтвердили эти идеи обширным эволюционным анализом. Аравинд предположил, что эти белки были частью гораздо более обширного структурного семейства белков, которое присутствовало и разнообразно в нашем последнем универсальном общем предке для всей существующей жизни.[7] Предполагается, что исходной функцией является домен связывания нуклеотидов, который участвует в передаче сигнала. [8]

Структура

Поскольку домен USP широко распространен среди многих организмов, структуры этих белков очень разнообразны. Для Haemophilus influenzae, его UspA находится в цитоплазме. Белок образует асимметричный димер с характерными альфа- и бета-складчатыми структурами. Существуют различия между разными бактериями в таких областях, как АТФ участок связывания.[2] В этом случае UspA не обладает активностью связывания АТФ. Как правило, USP образуют димеры и имеют домены для нуклеотид связывающая активность. Однако, поскольку это такая разноплановая группа, о которой часто мало что известно о точной структуре, невозможно прокомментировать каждое УТП. В дополнение к этому UspA может находиться в разных областях соты. Например, в этом случае это было в цитоплазма но для других это может быть в клеточная мембрана.[9]

Бактерии

Большая часть исследований USP проводится на бактериях, в частности Кишечная палочка (Штамм К-12). Следовательно, о доменах USP у бактерий известно много. В Кишечная палочка Существует шесть семейств доменов USP, которые присутствуют в более чем 1000 различных белков.[10] Шесть семейств - это Usp A, -C, -D, -E, -F и -G, которые запускаются различными воздействиями окружающей среды и часто действуют посредством различных механизмов.[10]

UspA является наиболее часто изучаемым USP из-за его широкого присутствия в бактериальных геномах. UspA особенно влияет на устойчивость к огромному количеству стрессоров, в первую очередь к воздействию тетрациклина и высоким температурам, за исключением того, что он не реагирует на холодовой шок. Считается, что UspA особенно важен для восстановления Кишечная палочка после голодания питательных веществ.[2] UspA в нормальных условиях роста, по-видимому, не влияет на экспрессию генов. Однако во время стрессовых условий, таких как углеродное голодание, было показано, что UspA оказывает глобальное влияние на экспрессию генов. Предлагаемый механизм такого изменения экспрессия гена заключается в том, что предполагается, что UspA связывается с ДНК. Когда UspA мутирует, Кишечная палочка становится гораздо более уязвимым к УФ-индуцированному повреждению ДНК.[11]Важно отметить, что реакции Фармакопеи США не зависят от многих других реакций на стресс, наблюдаемых у бактерий, таких как rpoS.[12]

На этой схеме показан обобщенный ответ бактерий на стресс окружающей среды. В этом случае он показывает повышенный уровень оксида азота, который стимулирует УСП транскрипция гена. Это приводит к антистрессовой реакции клетки, которая может включать или не включать ответы, перечисленные на диаграмме.[13]

Индукция белков USP также вовлечена в переходы не только в метаболизм или рост, но и в изменения всего фенотипа колоний. Бактериальные колонии могут образовывать образования, известные как биопленки. Чжан и его коллеги продемонстрировали, что USP могут участвовать в продвижении приливных биопленок.[13] Они заметили, что в стрессовых условиях, связанных с ионами металлов и окислительными стрессами, формируется фенотип биопленки. При анализе этих биопленок можно было увидеть, что уровень UspA значительно повышен, что, по мнению Чжана, может быть связано с индукцией образования биопленок. Считается, что UspA может участвовать в процессах передачи сигналов, которые активируют гены, участвующие в производстве биопленок.[12] С такими открытиями начинает приниматься тот факт, что USP действуют, используя чрезвычайно широкий спектр механизмов для обеспечения выживания клеток.

Регулирование

У бактерий гены USP могут регулироваться сигма-факторами в пределах РНК-полимеразы. Сюда входит сигма-фактор σ70, который, связываясь с одной промоторной областью, активирует транскрипцию UspA в бактериях. Гены регулируются моноцистронным образом.[14]Кроме того, UspA, UspC, UspD и UspE чрезмерно индуцируются во время стационарной фазы за счет регуляции RecA. RecA известен своим участием в репарации ДНК через гомологичная рекомбинация следующий повреждение. Следовательно, считается, что четыре гена домена Usp опосредуют управление или защиту ДНК.[15] Независимо от механизма, проявляемого белками, можно сделать вывод, что домены USP имеют решающее значение для выживания многих видов бактерий. Gomes et al. обнаружил, что делеции UspA в Листерия серьезно нарушенная выживаемость, а также стрессовая реакция листерий in vitro и in vivo.[16]

Гены домена USP регулируются рядом белков, участвующих в рост, Ремонт ДНК и деление клеток. Заметная положительная регуляция происходит за счет действия ppGpp, RecA и FtsZ зависимые регуляторные пути. Гены домена USP также находятся под отрицательным контролем FadR. [17]

Растения

Растения содержат многие сотни доменов и генов USP. Эти гены, в частности, вызываются стрессами окружающей среды, такими как засуха. Когда не хватает гидратация происходит биохимические изменения, вызванные действием USP. В ответ на засуху наблюдается сокращение фотосинтетический углерод производство, а также сокращение энергетический обмен.[18] Предполагается, что эти действия должны выполняться из-за их влияния на повышение энергосбережения. Условия ограничения воды - это обычное экологическое давление, с которым растения должны будут регулярно справляться, в зависимости от среды их обитания. Эти стойкие фенотипы будут иметь повышенную выживаемость, поскольку они позволяют растениям сохранять энергию во времена ограниченного количества воды, что является ключевым фактором глюкоза производство через фотосинтез.[18]

Клиническое значение

Туберкулез

Микобактерии туберкулеза, инфекционный агент, ответственный за Туберкулез (ТБ) сохраняется примерно у двух миллиардов человек. ТБ известен своей способностью переходить в латентное состояние, при котором наблюдается медленный рост, но высокая устойчивость в организме-хозяине-млекопитающем в структурах, известных как гранулемы.[19] Эти структуры гранулемы состоят из различных клеточных материалов и иммунных клеток. К ним относятся макрофаги, нейтрофилы, целлюлоза и жиры. Уже давно предполагается, что USP играют важную роль в сохранении туберкулеза у человека-хозяина. Это связано с наблюдениями за повышенными УСП гены внутри М. туберкулез в стадии скрытой гранулемы.[20]

Есть восемь типов УТП внутри М. туберкулез, все из которых имеют домен связывания АТФ. Было обнаружено, что внутри М. туберкулез, эти USP регулируются FtsK и FadR.[21] Одно недавнее открытие показывает, что индукция УТП внутри М. туберкулез приводит к активности связывания USP с внутриклеточным цАМФ, что косвенно влияет на транскрипцию внутри бактерий.[22]

Некоторые из M. tuberculosis ' Предполагается, что УТП вызываются гипоксический условия, обнаруженные внутри гранулемы. В частности, Rv2623, тип USP в М. туберкулез, индуцируется наличием оксид азота, активные формы кислорода и понижение передачи pH. Предполагается, что все эти условия создаются действиями макрофаги которые особенно распространены в структурах гранулемы, характерных для латентных инфекций ТБ.[20] Было обнаружено, что эти состояния активируют определенный ген USP, называемый rv2623, а также еще 50 генов, вовлеченных в долгосрочное сохранение в организме млекопитающего-хозяина. Было высказано предположение, что этот ген USP участвует в индукции латентного ответа у млекопитающего-хозяина. Эта стадия инфекции в настоящее время носит хронический характер и не требует эффективного лечения. Это делает выводы такого рода чрезвычайно ценными.

Rv2623 имеет АТФ-связывающий домен, который, если его нокаутировать, приводит к гипервирулентной форме бактерий.[21] Понимание этих процессов помогает исследователям в их стремлении обеспечить эффективное лечение больных туберкулезом. Rv2623 тоже ключевой биомаркер помощь в диагностическом процессе ТБ. Следовательно, эти гены USP могут иметь решающее значение для долгосрочного выживания бактерий, а это означает, что могут быть потенциальные терапевтические направления исследований для изучения лечения латентного ТБ.[23] Это происходит в то время, когда туберкулез убивает многие тысячи людей в день и становится все более проблематичным лечить с ростом заболеваемости. ТБ с множественной лекарственной устойчивостью.

Сальмонелла

Точно так же УТП имеют решающее значение для выживания Сальмонелла, возбудитель сальмонеллеза. В развивающиеся страны, пищевое отравление такого рода является потенциально опасным для жизни состоянием. Фармакопеи США влияют на задержку роста, реакцию на стресс и вирулентность.[24] UspA индуцируется метаболический, окислительный и температура связанный стресс. В этих условиях UspA перерабатывается за счет транскрипционная регуляция пользователей ppGpp и RecA. Было высказано предположение, что эти ответы участвуют в защите ДНК. В результате UspA помогает сальмонелле противостоять стрессорам, продуцируемым млекопитающими. иммунная система помощь в выживании и, следовательно, патогенность.[24] Когда UspA инактивируется в Salmonella, мутанты умирают преждевременно, демонстрируя, насколько важны эти белки для выживания и устойчивости. Опять же, понимание этих процессов может помочь исследователям в разработке эффективных лекарств для лечения этих инфекций.[24]

использованная литература

  1. ^ Тан К. и др. (2008). «Кристаллическая структура универсального стрессового белка семейства белков UspA из Lactobacillus plantarum WCFS1». Банк данных белков. Дои:10.2210 / pdb3fg9 / pdb..
  2. ^ а б c d е ж Siegele DA, et al. (2005). «Универсальные стресс-белки в Escherichia coli». Журнал бактериологии. 187 (18): 6253–6254. Дои:10.1128 / jb.187.18.6253-6254.2005. ЧВК  1236659. PMID  16159755..
  3. ^ Ткачук К.Л. и др. (2013). «Структурное и функциональное понимание универсального семейства стрессовых белков». Эволюционные приложения. 6 (3): 434–449. Дои:10.1111 / eva.12057. ЧВК  3673472. PMID  23745136..
  4. ^ Соуза MC (2001). «Структура универсального стрессового белка Haemophylus influenzae при разрешении 1.85A». Структура. 9: 1135–1141. Дои:10.2210 / pdb1jmv / pdb..
  5. ^ Начин Л. и др. (2005). «Дифференциальная роль универсальных стресс-белков Escherichia coli в устойчивости к окислительному стрессу, адгезии и подвижности». Журнал бактериологии. 187 (18): 6265–6272. Дои:10.1128 / JB.187.18.6265-6272.2005. ЧВК  1236625. PMID  16159758..
  6. ^ Schweikhard ES, et al. (2010). «Структура и функция универсального стрессового белка TeaD и его роль в регулировании транспортера эктоина TeaABC Halomonas elongata DSM 2581 (T)». Биохимия. 49 (10): 2194–2204. Дои:10.1021 / bi9017522. PMID  20113006..
  7. ^ а б Аравинд Л. и др. (2002). «Монофилия аминоацил тРНК синтетазы класса I, USPA, ETFP, фотолиаза и нуклеотидсвязывающие домены PP-ATPase: последствия для эволюции белка в РНК». Протеин. 48 (1): 1–14. Дои:10.1002 / prot.10064. PMID  12012333..
  8. ^ Беккер Дж. Д. (2001). «Нодулин vfENOD18 представляет собой АТФ-связывающий белок в инфицированных клетках клубеньков Vicia faba L.». Завод Мол Биол. 47 (6): 749–759. Дои:10.1023 / А: 1013664311052. PMID  11785936. S2CID  24974722..
  9. ^ Соуза MC (2001). «Структура универсального стрессового белка Haemophilus influenzae». Бихимические науки. 9 (12): 1135–1141. Дои:10.1016 / s0969-2126 (01) 00680-3. PMID  11738040.
  10. ^ а б Бейтман А (2004). «База данных семейств белков Pfam». Исследования нуклеиновых кислот. 32 (90001): 138–141. Дои:10.1093 / нар / гх121. ЧВК  308855. PMID  14681378.
  11. ^ О'Тул Р. (2003). «Универсальные стрессовые белки и Mycobacterium tuberculosis». Исследования в области микробиологии. 154 (6): 387–392. Дои:10.1016 / S0923-2508 (03) 00081-0. PMID  12892844.
  12. ^ а б Густавссон Н. (2002). «Универсальные паралоги стрессовых белков Escherichia coli скоординированно регулируются и взаимодействуют в защите от повреждений ДНК». Молекулярная микробиология. 43 (1): 107–117. Дои:10.1046 / j.1365-2958.2002.02720.x. PMID  11849540.
  13. ^ а б Чжан В (2013). «Адаптация сообществ приливной биопленки осуществляется за счет ионов металлов и окислительного стресса». Научные отчеты. 3: 3180. Bibcode:2013НатСР ... 3Э3180З. Дои:10.1038 / srep03180. ЧВК  3822395. PMID  24212283.
  14. ^ Квинт К (2013). «Универсальный бактериальный стресс-белок: функция и регуляция». Curr Opin Microbiol. 6 (2): 140–145. Дои:10.1016 / S1369-5274 (03) 00025-0. PMID  12732303.
  15. ^ Diez A (2002). «Универсальный стрессовый белок A Escherichia coli необходим для устойчивости к агентам, повреждающим ДНК, и регулируется RecA / FtsK-зависимым регуляторным путем». Молекулярная микробиология. 36 (6): 1494–1503. Дои:10.1046 / j.1365-2958.2000.01979.x. PMID  10931298.
  16. ^ Гомес CS (2011). «Универсальные стрессовые белки важны для устойчивости к окислительному и кислотному стрессу и роста Listeria monocytogenes EGD-e in vitro и in vivo». PLOS ONE. 6 (9): e24965. Bibcode:2011PLoSO ... 624965S. Дои:10.1371 / journal.pone.0024965. ЧВК  3184099. PMID  21980369.
  17. ^ «Универсальный стресс-протеин А». www.uniprot.org. Uniprot. 2015-03-25. Получено 2015-03-25.
  18. ^ а б Исокпехи РД (2011). «Идентификация универсальных стрессовых белков, реагирующих на засуху, у viridiplantae». биоинформ Biol Insights. 5: 41–58. Дои:10.4137 / BBI.S6061. ЧВК  3045048. PMID  21423406.
  19. ^ Рамакришнан Л (2012). «Возвращаясь к роли гранулемы при туберкулезе». Обзоры природы. 12 (5): 352–366. Дои:10.1038 / nri3211. PMID  22517424. S2CID  1139969.
  20. ^ а б О'Тул Р. (2003). «Универсальные стрессовые белки и Mycobacterium tuberculosis». Исследования в области микробиологии. 154 (6): 387–392. Дои:10.1016 / S0923-2508 (03) 00081-0. PMID  12892844.
  21. ^ а б Барабан JE (2009). «Универсальный стрессовый белок Mycobacterium tuberculosis Rv2623 регулирует рост бактерий путем связывания АТФ: необходимость для установления хронической персистирующей инфекции». PLoS Pathog. 5 (5): e1000460. Дои:10.1371 / journal.ppat.1000460. ЧВК  2682197. PMID  19478878.
  22. ^ Банерджи А (2015). «Универсальный стрессовый белок (USP) в микобактериях связывает цАМФ». Журнал биологической химии. 12 (20): 1–28. Дои:10.1074 / jbc.M115.644856. ЧВК  4432290. PMID  25802331.
  23. ^ Хингли-Уилсон С.М. (2010). «Индивидуальные универсальные гомологи стрессовых белков Mycobacterium tuberculosis можно обойтись in vitro». Туберкулез. 90 (4): 236–244. Дои:10.1016 / j.tube.2010.03.013. ЧВК  2914252. PMID  20541977.
  24. ^ а б c Лю В.Т. (2007). «Роль универсального стрессового белка UspA Salmonella в остановке роста, стрессе и вирулентности». Микробный патогенез. 42 (1): 2–10. Дои:10.1016 / j.micpath.2006.09.002. PMID  17081727.

внешние ссылки