Двухкомпонентная система: различия между версиями

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Интерактивная навигация по истории
[отпатрулированная версия][отпатрулированная версия]
← Предыдущая правкаСледующая правка →
Содержимое удалено Содержимое добавлено
ВизуальныйВики-текст
Нет описания правки
Нет описания правки
Строка 1: Строка 1:
{{редактирую|1=[[Служебная:Contributions/Minina|Minina]]|2=29 июля 2017 |3= 08:49 (UTC)|details=}}
{{редактирую|1=[[Служебная:Contributions/Minina|Minina]]|2=29 июля 2017 |3= 08:49 (UTC)|details=}}
'''Двухкомпоне́нтная систе́ма''' ({{lang-en|Two-component system}}) — [[Молекулярная биология|молекулярно-биологический механизм]], позволяющий [[Клетка (биология)|клеткам]] ощущать и отвечать на изменения различных параметров окружающей среды. Как правило, двухкомпонентная система состоит из [[Биологические мембраны|мембраносвязанной]] {{нп5|Гистидинкиназа|гистидинкиназы|en|Histidine kinase}}, которая ощущает изменения окружающей среды, и соответствующего {{нп5|Регулятор ответа|регулятора ответа|en|Response regulator}}, который обеспечивает клеточный ответ, главным образом за счёт дифференциальной [[Экспрессия генов|экспрессии генов]]-мишеней. Хотя двухкомпонентные системы обнаружены у представителей всех [[Трёхдоменная система|трёх]] [[Домен (биология)|доменов]] жизни, наиболее часто они встречаются у [[Бактерии|бактерий]], особенно [[Грамотрицательные бактерии|грамотрицательных бактерий]] и [[Цианобактерии|цианобактерий]]. [[Ген]]ы, кодирующие гистидинкиназы и регуляторы ответа, составляют два самых крупных {{нп5|Семейство генов|семейства генов|en|Gene family}} у бактерий. Гораздо реже двухкомпонентные системы встречаются у [[Археи|архей]] и [[Эукариоты|эукариот]]; тем не менее, они всё же описаны у [[Дрожжи|дрожжей]], нитчатых [[Грибы|грибов]], [[Слизевики|слизевиков]] и обычны для [[Растения|растений]], но полностью отсутствуют у [[Metazoa]].
'''Двухкомпоне́нтная систе́ма''' ({{lang-en|Two-component system}}) — [[Молекулярная биология|молекулярно-биологический механизм]], позволяющий [[Клетка (биология)|клеткам]] ощущать и отвечать на изменения различных параметров окружающей среды<ref name="Stock2000">{{cite pmid|10966457}}</ref>. Как правило, двухкомпонентная система состоит из [[Биологические мембраны|мембраносвязанной]] {{нп5|Гистидинкиназа|гистидинкиназы|en|Histidine kinase}}, которая ощущает изменения окружающей среды, и соответствующего {{нп5|Регулятор ответа|регулятора ответа|en|Response regulator}}, который обеспечивает клеточный ответ, главным образом за счёт дифференциальной [[Экспрессия генов|экспрессии генов]]-мишеней<ref name=mascher>{{cite pmid|17158704}}</ref>. Хотя двухкомпонентные системы обнаружены у представителей всех [[Трёхдоменная система|трёх]] [[Домен (биология)|доменов]] жизни, наиболее часто они встречаются у [[Бактерии|бактерий]], особенно [[Грамотрицательные бактерии|грамотрицательных бактерий]] и [[Цианобактерии|цианобактерий]]. [[Ген]]ы, кодирующие гистидинкиназы и регуляторы ответа, составляют два самых крупных {{нп5|Семейство генов|семейства генов|en|Gene family}} у бактерий<ref name="capra">{{cite pmid|22746333}}</ref>. Гораздо реже двухкомпонентные системы встречаются у [[Археи|архей]] и [[Эукариоты|эукариот]]; тем не менее, они всё же описаны у [[Дрожжи|дрожжей]], нитчатых [[Грибы|грибов]], [[Слизевики|слизевиков]] и обычны для [[Растения|растений]]<ref name="Stock2000"/>, но полностью отсутствуют у [[Metazoa]]<ref name=capra />.


== Механизм ==
== Механизм ==
Двухкомпонентные системы осуществляют [[Передача сигнала (биология)|биологическую передачу сигнала]] посредством [[Фосфорилирование|фосфорилирования]] регулятора ответа (РО) гистидинкиназой (ГК). Гистидинкиназы, как правило, являются [[Белковый димер|гомодимерными]] [[Трансмембранные белки|трансмембранными белками]], которые имеют гистидинсодержащий фосфотрансферазный [[Домен белка|домен]] и [[АТФ]]-связывающий домен, хотя описаны необычные [[Белковое семейство|семейства]] ГК, не являющихся гомодимерными. Регуляторы ответа могут состоять из одного домена-получателя, но обычно являются мультидоменными белками, содержащими домен-получатель и эффекторный домен, часто обладающий [[ДНК]]-связывающей активностью. Когда ГК ощущает изменение во внеклеточной среде, она осуществляет реакцию {{нп5|Аутофосфорилирование|аутофосфорилирования|en|Autophosphorylation}}, перенося {{нп5|Фосфиноксиды|фосфорильную группу|en|Phosphine oxide}} с АТФ на специфический остаток [[гистидин]]а. Соответствующий РО далее [[катализ]]ирует реакцию переноса этой фосфорильной группы от ГК на остаток [[аспартат]]а в своём домене-получателе. В результате этой реакции РО претерпевает {{нп5|конформационное изменение||en|Conformational change}}, которое активирует его эффекторный домен, а он, в свою очередь, запускает клеточный ответ на сигнал, активируя или репрессируя экспрессию генов-мишеней.
Двухкомпонентные системы осуществляют [[Передача сигнала (биология)|биологическую передачу сигнала]] посредством [[Фосфорилирование|фосфорилирования]] регулятора ответа (РО) гистидинкиназой (ГК). Гистидинкиназы, как правило, являются [[Белковый димер|гомодимерными]] [[Трансмембранные белки|трансмембранными белками]], которые имеют гистидинсодержащий фосфотрансферазный [[Домен белка|домен]] и [[АТФ]]-связывающий домен, хотя описаны необычные [[Белковое семейство|семейства]] ГК, не являющихся гомодимерными<ref>{{cite pmid|28193573}}</ref>. Регуляторы ответа могут состоять из одного домена-получателя, но обычно являются мультидоменными белками, содержащими домен-получатель и эффекторный домен, часто обладающий [[ДНК]]-связывающей активностью<ref name=capra />. Когда ГК ощущает изменение во внеклеточной среде, она осуществляет реакцию {{нп5|Аутофосфорилирование|аутофосфорилирования|en|Autophosphorylation}}, перенося {{нп5|Фосфиноксиды|фосфорильную группу|en|Phosphine oxide}} с АТФ на специфический остаток [[гистидин]]а. Соответствующий РО далее [[катализ]]ирует реакцию переноса этой фосфорильной группы от ГК на остаток [[аспартат]]а в своём домене-получателе<ref name="sanders_1989">{{cite pmid|2689446}}</ref><ref name="sanders_1992">{{cite pmid|1321122}}</ref>. В результате этой реакции РО претерпевает {{нп5|конформационное изменение||en|Conformational change}}, которое активирует его эффекторный домен, а он, в свою очередь, запускает клеточный ответ на сигнал, активируя или репрессируя экспрессию генов-мишеней<ref name=capra />.


Многие ГК бифункциональны и обладают [[Фосфатаза|фосфатазной]] активностью, направленной на соответствующие РО, поэтому сигнал на выходе отражает баланс между [[Киназы|киназной]] и фосфатазной активностью ГК. Многие РО также способны к аутодефосфорилированию, кроме того, относительно лабильный фосфоаспартат может быть [[гидролиз]]ован не[[фермент]]ативно. Общий уровень фосфорилирования РО в конечном счёте контролирует его активность.
Многие ГК бифункциональны и обладают [[Фосфатаза|фосфатазной]] активностью, направленной на соответствующие РО, поэтому сигнал на выходе отражает баланс между [[Киназы|киназной]] и фосфатазной активностью ГК. Многие РО также способны к аутодефосфорилированию<ref name="west">{{cite pmid|11406410}}</ref>, кроме того, относительно лабильный фосфоаспартат может быть [[гидролиз]]ован не[[фермент]]ативно. Общий уровень фосфорилирования РО в конечном счёте контролирует его активность<ref name="Stock2000" /><ref name=stock_1989>{{cite pmid|2556636}}</ref>.


Некоторые ГК являются гибридами и содержат внутренний домен-получатель. В этом случае ГК аутофосфорилируется и далее переносит фосфорильную группу на свой внутренний домен-получатель, а не на отдельный белок-регулятор ответа. Далее фосфорильная группа переносится на {{нп5|Гистидинтрансфераза|гистидинтрансферазу|en|Histidine phosphotransfer domain}} и от неё на конечный РО, который и запускает необходимый клеточный ответ. Такая система называется фосфореле ({{lang-en|phosphorelay}}). Почти 25 % бактериальных ГК и большинство эукариотических ГК относятся к гибридному типу.
Некоторые ГК являются гибридами и содержат внутренний домен-получатель. В этом случае ГК аутофосфорилируется и далее переносит фосфорильную группу на свой внутренний домен-получатель, а не на отдельный белок-регулятор ответа. Далее фосфорильная группа переносится на {{нп5|Гистидинтрансфераза|гистидинтрансферазу|en|Histidine phosphotransfer domain}} и от неё на конечный РО, который и запускает необходимый клеточный ответ<ref name="pmid11934609">{{cite pmid|11934609}}</ref><ref name="pmid11489844">{{cite pmid|11489844}}</ref>. Такая система называется фосфореле ({{lang-en|phosphorelay}}). Почти 25 % бактериальных ГК и большинство эукариотических ГК относятся к гибридному типу<ref name=capra />.


== Функции ==
== Функции ==
Двухкомпонентные системы позволяют бактерии ощущать, отвечать и адаптироваться к разнообразным изменениям окружающей среды и стрессовым воздействиям. Двухкомпонентные системы могут реагировать на разнообразные стимулы: [[питательные вещества]], [[Окислительно-восстановительные реакции|оксилительно-восстановительный]] статус клетки, изменения [[Осмотическая концентрация|осмолярности]], сигналы [[Чувство кворума|кворума]], [[антибиотики]], [[температура]], [[Хемотаксис|хемоаттрактанты]], [[Водородный показатель|pH]] и другие. Например, у ''[[Escherichia coli]]'' осморегуляторная {{нп5|двухкомпонентная система EnvZ/OmpR||en|EnvZ/OmpR two-component system}} контролирует дифференциальную экспрессию [[порин]]ов {{нп5|Внешняя бактериальная мембрана|внешней мембраны|en|Bacterial outer membrane}} OmpF и OmpC. Сенсорная киназа KdpD регулирует [[оперон]] kdpFABC, ответственный за транспорт [[ион]]ов [[Калий|калия]] у таких бактерий, как ''E. coli'' и ''[[Clostridium acetobutylicum]]''. [[Цитоплазма]]тический участок KdpD может быть сенсором [[Тургор тканей|тургорного]] давления.
Двухкомпонентные системы позволяют бактерии ощущать, отвечать и адаптироваться к разнообразным изменениям окружающей среды и стрессовым воздействиям<ref name="pmid16176121">{{cite pmid|16176121}}</ref>. Двухкомпонентные системы могут реагировать на разнообразные стимулы: [[питательные вещества]], [[Окислительно-восстановительные реакции|оксилительно-восстановительный]] статус клетки, изменения [[Осмотическая концентрация|осмолярности]], сигналы [[Чувство кворума|кворума]], [[антибиотики]], [[температура]], [[Хемотаксис|хемоаттрактанты]], [[Водородный показатель|pH]] и другие<ref name="pmid12372152">{{cite pmid|12372152}}</ref><ref>{{cite pmid|17103118}}</ref>. Например, у ''[[Escherichia coli]]'' осморегуляторная {{нп5|двухкомпонентная система EnvZ/OmpR||en|EnvZ/OmpR two-component system}} контролирует дифференциальную экспрессию [[порин]]ов {{нп5|Внешняя бактериальная мембрана|внешней мембраны|en|Bacterial outer membrane}} OmpF и OmpC. Сенсорная киназа KdpD регулирует [[оперон]] kdpFABC, ответственный за транспорт [[ион]]ов [[Калий|калия]] у таких бактерий, как ''E. coli'' и ''[[Clostridium acetobutylicum]]''. [[Цитоплазма]]тический участок KdpD может быть сенсором [[Тургор тканей|тургорного]] давления.


Среднее количество двухгибридных систем в бактериальном [[геном]]е оценивается как 30 (1—2 % генома). Некоторые бактерии, обычно являющиеся [[эндосимбионт]]ами или [[патоген]]ами, полностью лишены двухкомпонентных систем, а некоторые бактерии имеют свыше 200 таких систем. Такие системы требуют наличия общей системы регуляции, предотвращающей перекрёст между ними, который довольно редок в условиях ''[[in vivo]]''.
Среднее количество двухгибридных систем в бактериальном [[геном]]е оценивается как 30 (1—2 % генома). Некоторые бактерии, обычно являющиеся [[эндосимбионт]]ами или [[патоген]]ами, полностью лишены двухкомпонентных систем, а некоторые бактерии имеют свыше 200 таких систем. Такие системы требуют наличия общей системы регуляции, предотвращающей перекрёст между ними, который довольно редок в условиях ''[[in vivo]]''.

Версия от 12:01, 29 июля 2017

Двухкомпоне́нтная систе́ма (англ. Two-component system) — молекулярно-биологический механизм, позволяющий клеткам ощущать и отвечать на изменения различных параметров окружающей среды[1]. Как правило, двухкомпонентная система состоит из мембраносвязанной гистидинкиназы[англ.], которая ощущает изменения окружающей среды, и соответствующего регулятора ответа[англ.], который обеспечивает клеточный ответ, главным образом за счёт дифференциальной экспрессии генов-мишеней[2]. Хотя двухкомпонентные системы обнаружены у представителей всех трёх доменов жизни, наиболее часто они встречаются у бактерий, особенно грамотрицательных бактерий и цианобактерий. Гены, кодирующие гистидинкиназы и регуляторы ответа, составляют два самых крупных семейства генов[англ.] у бактерий[3]. Гораздо реже двухкомпонентные системы встречаются у архей и эукариот; тем не менее, они всё же описаны у дрожжей, нитчатых грибов, слизевиков и обычны для растений[1], но полностью отсутствуют у Metazoa[3].

Механизм

Двухкомпонентные системы осуществляют биологическую передачу сигнала посредством фосфорилирования регулятора ответа (РО) гистидинкиназой (ГК). Гистидинкиназы, как правило, являются гомодимерными трансмембранными белками, которые имеют гистидинсодержащий фосфотрансферазный домен и АТФ-связывающий домен, хотя описаны необычные семейства ГК, не являющихся гомодимерными[4]. Регуляторы ответа могут состоять из одного домена-получателя, но обычно являются мультидоменными белками, содержащими домен-получатель и эффекторный домен, часто обладающий ДНК-связывающей активностью[3]. Когда ГК ощущает изменение во внеклеточной среде, она осуществляет реакцию аутофосфорилирования[англ.], перенося фосфорильную группу[англ.] с АТФ на специфический остаток гистидина. Соответствующий РО далее катализирует реакцию переноса этой фосфорильной группы от ГК на остаток аспартата в своём домене-получателе[5][6]. В результате этой реакции РО претерпевает конформационное изменение?!, которое активирует его эффекторный домен, а он, в свою очередь, запускает клеточный ответ на сигнал, активируя или репрессируя экспрессию генов-мишеней[3].

Многие ГК бифункциональны и обладают фосфатазной активностью, направленной на соответствующие РО, поэтому сигнал на выходе отражает баланс между киназной и фосфатазной активностью ГК. Многие РО также способны к аутодефосфорилированию[7], кроме того, относительно лабильный фосфоаспартат может быть гидролизован неферментативно. Общий уровень фосфорилирования РО в конечном счёте контролирует его активность[1][8].

Некоторые ГК являются гибридами и содержат внутренний домен-получатель. В этом случае ГК аутофосфорилируется и далее переносит фосфорильную группу на свой внутренний домен-получатель, а не на отдельный белок-регулятор ответа. Далее фосфорильная группа переносится на гистидинтрансферазу[англ.] и от неё на конечный РО, который и запускает необходимый клеточный ответ[9][10]. Такая система называется фосфореле (англ. phosphorelay). Почти 25 % бактериальных ГК и большинство эукариотических ГК относятся к гибридному типу[3].

Функции

Двухкомпонентные системы позволяют бактерии ощущать, отвечать и адаптироваться к разнообразным изменениям окружающей среды и стрессовым воздействиям[11]. Двухкомпонентные системы могут реагировать на разнообразные стимулы: питательные вещества, оксилительно-восстановительный статус клетки, изменения осмолярности, сигналы кворума, антибиотики, температура, хемоаттрактанты, pH и другие[12][13]. Например, у Escherichia coli осморегуляторная двухкомпонентная система EnvZ/OmpR[англ.] контролирует дифференциальную экспрессию поринов внешней мембраны?! OmpF и OmpC. Сенсорная киназа KdpD регулирует оперон kdpFABC, ответственный за транспорт ионов калия у таких бактерий, как E. coli и Clostridium acetobutylicum. Цитоплазматический участок KdpD может быть сенсором тургорного давления.

Среднее количество двухгибридных систем в бактериальном геноме оценивается как 30 (1—2 % генома). Некоторые бактерии, обычно являющиеся эндосимбионтами или патогенами, полностью лишены двухкомпонентных систем, а некоторые бактерии имеют свыше 200 таких систем. Такие системы требуют наличия общей системы регуляции, предотвращающей перекрёст между ними, который довольно редок в условиях in vivo.

Эволюция

Количество двухкомпонентных систем, закодированных в бактериальном геноме, тесно связано с его размером, а также экологической нишей, занимаемой бактерией. У обитателей ниш, в которых часто меняются условия окружающей среды, имеется больше генов, кодирующих ГК и РО. Новые двухкомпонентные системы могут образовываться путём дупликации генов и передаваться при горизонтальном переносе генов, причём скорости обоих процессов значительно варьируют у разных видов бактерий. В большинстве случаев ГК и соответствующие им РО кодируются одним опероном. В отличие от дупликации генов, горизотальный перенос генов в большей степени способствует сохранению оперонной организации.

У эукариот

Двухкомпонентные системы среди эукариот редки. Они встречаются у дрожжей, нитчатых грибов, слизевиков, довольно обычны для растений, однако полностью отсутствуют у настоящих многоклеточных животных (Metazoa). По-видимому, эукариоты получили двухкомпонентные системы через горизонтальный перенос генов, нередко от эндосимбиотических органелл, и их ГК обычно относятся к гибридному типу. Например, у дрожжей Candida albicans ядерные гены, кодирующие компоненты двухкомпонентных систем, имеют митохондриальное происхождение. Двухкомпонентные системы успешно интегрированы в сигнальные пути растений, контролирующие развитие, и, скорее всего, произошли от хлоропластов путём горизонтального переноса генов. Например, у Arabidopsis thaliana ген, кодирующий сенсорную киназу хлоропластов[англ.] (англ. chloropast sensor kinase, CSK), находится в ядерном геноме, но произошёл из генома хлоропластов. CSK обеспечивает работу регуляторной системы, связывающей фотосинтез и экспрессию генов хлоропластов; это наблюдение было описано как ключевое предсказание гипотезы CoRR, которая объясняет сохранение генов у эндосимбиотических органелл.

Неясно, почему двухкомпонентные системы редки у эукариот, у которых многие функции двухкомпонентных систем выполняются сигнальными системами, основанными на сериновых, треониновых и тирозиновых киназах. Одно из предложенных объяснений заключается в том, что фосфоаспартат слишком нестабилен, а для передачи сигнала в более сложных эукариотических клетках необходимы более стабильные соединения. Стоит отметить, что перекрёст между сигнальными путями эукариотических клеток — обычное явление, при этом у бактериальных двухкомпонентных систем он встречается редко.

Биоинформатика

Благодаря схожести последовательностей и оперонной структуре многие двухкомпонентные системы, в особенности, ГК, относительно просто идентифицировать с помощью биоинформатического анализа. Эукариотические же киназы идентифицировать довольно просто, однако найти их субстраты — нетривиальная задача. База данных двухкомпонентных систем прокариот — P2CS — хранит информацию и классифицирует известные двухкомпонентные системы. Для некоторых случаев база данных хранит предсказания о предполагаемых партнёрах ГК и РО.

Примечания

  1. ↑ 1 2 3 Stock A. M., Robinson V. L., Goudreau P. N. Two-component signal transduction. (англ.) // Annual review of biochemistry. — 2000. — Vol. 69. — P. 183—215. — doi:10.1146/annurev.biochem.69.1.183. — PMID 10966457. [исправить]
  2. ↑ Mascher T., Helmann J. D., Unden G. Stimulus perception in bacterial signal-transducing histidine kinases. (англ.) // Microbiology and molecular biology reviews : MMBR. — 2006. — Vol. 70, no. 4. — P. 910—938. — doi:10.1128/MMBR.00020-06. — PMID 17158704. [исправить]
  3. ↑ 1 2 3 4 5 Capra E. J., Laub M. T. Evolution of two-component signal transduction systems. (англ.) // Annual review of microbiology. — 2012. — Vol. 66. — P. 325—347. — doi:10.1146/annurev-micro-092611-150039. — PMID 22746333. [исправить]
  4. ↑ Herrou J., Crosson S., Fiebig A. Structure and function of HWE/HisKA2-family sensor histidine kinases. (англ.) // Current opinion in microbiology. — 2017. — Vol. 36. — P. 47—54. — doi:10.1016/j.mib.2017.01.008. — PMID 28193573. [исправить]
  5. ↑ Sanders D. A., Gillece-Castro B. L., Stock A. M., Burlingame A. L., Koshland D. E. Jr. Identification of the site of phosphorylation of the chemotaxis response regulator protein, CheY. (англ.) // The Journal of biological chemistry. — 1989. — Vol. 264, no. 36. — P. 21770—21778. — PMID 2689446. [исправить]
  6. ↑ Sanders D. A., Gillece-Castro B. L., Burlingame A. L., Koshland D. E. Jr. Phosphorylation site of NtrC, a protein phosphatase whose covalent intermediate activates transcription. (англ.) // Journal of bacteriology. — 1992. — Vol. 174, no. 15. — P. 5117—5122. — PMID 1321122. [исправить]
  7. ↑ West A. H., Stock A. M. Histidine kinases and response regulator proteins in two-component signaling systems. (англ.) // Trends in biochemical sciences. — 2001. — Vol. 26, no. 6. — P. 369—376. — PMID 11406410. [исправить]
  8. ↑ Stock J. B., Ninfa A. J., Stock A. M. Protein phosphorylation and regulation of adaptive responses in bacteria. (англ.) // Microbiological reviews. — 1989. — Vol. 53, no. 4. — P. 450—490. — PMID 2556636. [исправить]
  9. ↑ Varughese K. I. Molecular recognition of bacterial phosphorelay proteins. (англ.) // Current opinion in microbiology. — 2002. — Vol. 5, no. 2. — P. 142—148. — PMID 11934609. [исправить]
  10. ↑ Hoch J. A., Varughese K. I. Keeping signals straight in phosphorelay signal transduction. (англ.) // Journal of bacteriology. — 2001. — Vol. 183, no. 17. — P. 4941—4949. — PMID 11489844. [исправить]
  11. ↑ Skerker J. M., Prasol M. S., Perchuk B. S., Biondi E. G., Laub M. T. Two-component signal transduction pathways regulating growth and cell cycle progression in a bacterium: a system-level analysis. (англ.) // Public Library of Science Biology. — 2005. — Vol. 3, no. 10. — P. e334. — doi:10.1371/journal.pbio.0030334. — PMID 16176121. [исправить]
  12. ↑ Wolanin P. M., Thomason P. A., Stock J. B. Histidine protein kinases: key signal transducers outside the animal kingdom. (англ.) // Genome biology. — 2002. — Vol. 3, no. 10. — P. 3013. — PMID 12372152. [исправить]
  13. ↑ Attwood P. V., Piggott M. J., Zu X. L., Besant P. G. Focus on phosphohistidine. (англ.) // Amino acids. — 2007. — Vol. 32, no. 1. — P. 145—156. — doi:10.1007/s00726-006-0443-6. — PMID 17103118. [исправить]

Ссылки

Источник — https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Двухкомпонентная_система&oldid=86796497