Открыть главное меню

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[en], которая ощущает изменения окружающей среды, и соответствующего регулятора ответа[en], 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[en] 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].

МеханизмПравить

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[en], перенося фосфорильную группу[en] 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[en], 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[en] 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].

ФункцииПравить

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[en] контролирует дифференциальную экспрессию поринов внешней мембраны OmpF и OmpC[14]. Сенсорная киназа KdpD регулирует оперон kdpFABC, ответственный за транспорт ионов калия у таких бактерий, как E. coli и Clostridium acetobutylicum[15]. Цитоплазматический участок KdpD может быть сенсором тургорного давления[16].

Среднее количество двухгибридных систем в бактериальном геноме оценивается как 30[17] (1—2 % генома[18]). Некоторые бактерии, обычно являющиеся эндосимбионтами или патогенами, полностью лишены двухкомпонентных систем, а некоторые бактерии имеют свыше 200 таких систем[19][20]. Такие системы требуют наличия общей системы регуляции, предотвращающей перекрёст между ними, который довольно редок в условиях in vivo[21].

ЭволюцияПравить

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[3][22]. Новые двухкомпонентные системы могут образовываться путём дупликации генов и передаваться при горизонтальном переносе генов, причём скорости обоих процессов значительно варьируют у разных видов бактерий[23]. В большинстве случаев ГК и соответствующие им РО кодируются одним опероном[3]. В отличие от дупликации генов, горизонтальный перенос генов в большей степени способствует сохранению оперонной организации[23].

У эукариотПравить

Двухкомпонентные системы среди эукариот редки. Они встречаются у дрожжей, нитчатых грибов, слизевиков, довольно обычны для растений, однако полностью отсутствуют у настоящих многоклеточных животных (Metazoa)[3]. 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[24]. Двухкомпонентные системы успешно интегрированы в сигнальные пути растений, контролирующие развитие, и, скорее всего, произошли от хлоропластов путём горизонтального переноса генов[3]. Например, у Arabidopsis thaliana ген, кодирующий сенсорную киназу хлоропластов[en] (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[25][26].

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.[3]. Стоит отметить, что перекрёст между сигнальными путями эукариотических клеток — обычное явление, при этом у бактериальных двухкомпонентных систем он встречается редко[27].

БиоинформатикаПравить

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[3]. 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[28][29].

ПримечанияПравить

  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 6 7 8 9 10 11 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]
  14. Buckler D. R., Anand G. S., Stock A. M. Response-regulator phosphorylation and activation: a two-way street? (англ.) // Trends in microbiology. — 2000. — Vol. 8, no. 4. — P. 153—156. — PMID 10754569. [исправить]
  15. Treuner-Lange A., Kuhn A., Dürre P. The kdp system of Clostridium acetobutylicum: cloning, sequencing, and transcriptional regulation in response to potassium concentration. (англ.) // Journal of bacteriology. — 1997. — Vol. 179, no. 14. — P. 4501—4512. — PMID 9226259. [исправить]
  16. Walderhaug M. O., Polarek J. W., Voelkner P., Daniel J. M., Hesse J. E., Altendorf K., Epstein W. KdpD and KdpE, proteins that control expression of the kdpABC operon, are members of the two-component sensor-effector class of regulators. (англ.) // Journal of bacteriology. — 1992. — Vol. 174, no. 7. — P. 2152—2159. — PMID 1532388. [исправить]
  17. Schaller G. E., Shiu S. H., Armitage J. P. Two-component systems and their co-option for eukaryotic signal transduction. (англ.) // Current biology : CB. — 2011. — Vol. 21, no. 9. — P. 320—330. — DOI:10.1016/j.cub.2011.02.045. — PMID 21549954. [исправить]
  18. Salvado B., Vilaprinyo E., Sorribas A., Alves R. A survey of HK, HPt, and RR domains and their organization in two-component systems and phosphorelay proteins of organisms with fully sequenced genomes. (англ.) // PeerJ. — 2015. — Vol. 3. — P. e1183. — DOI:10.7717/peerj.1183. — PMID 26339559. [исправить]
  19. Wuichet K., Cantwell B. J., Zhulin I. B. Evolution and phyletic distribution of two-component signal transduction systems. (англ.) // Current opinion in microbiology. — 2010. — Vol. 13, no. 2. — P. 219—225. — DOI:10.1016/j.mib.2009.12.011. — PMID 20133179. [исправить]
  20. Shi X., Wegener-Feldbrügge S., Huntley S., Hamann N., Hedderich R., Søgaard-Andersen L. Bioinformatics and experimental analysis of proteins of two-component systems in Myxococcus xanthus. (англ.) // Journal of bacteriology. — 2008. — Vol. 190, no. 2. — P. 613—624. — DOI:10.1128/JB.01502-07. — PMID 17993514. [исправить]
  21. Laub M. T., Goulian M. Specificity in two-component signal transduction pathways. (англ.) // Annual review of genetics. — 2007. — Vol. 41. — P. 121—145. — DOI:10.1146/annurev.genet.41.042007.170548. — PMID 18076326. [исправить]
  22. Galperin M. Y. Structural classification of bacterial response regulators: diversity of output domains and domain combinations. (англ.) // Journal of bacteriology. — 2006. — Vol. 188, no. 12. — P. 4169—4182. — DOI:10.1128/JB.01887-05. — PMID 16740923. [исправить]
  23. 1 2 Alm E., Huang K., Arkin A. The evolution of two-component systems in bacteria reveals different strategies for niche adaptation. (англ.) // Public Library of Science for Computational Biology. — 2006. — Vol. 2, no. 11. — P. e143. — DOI:10.1371/journal.pcbi.0020143. — PMID 17083272. [исправить]
  24. Mavrianos J., Berkow E. L., Desai C., Pandey A., Batish M., Rabadi M. J., Barker K. S., Pain D., Rogers P. D., Eugenin E. A., Chauhan N. Mitochondrial two-component signaling systems in Candida albicans. (англ.) // Eukaryotic cell. — 2013. — Vol. 12, no. 6. — P. 913—922. — DOI:10.1128/EC.00048-13. — PMID 23584995. [исправить]
  25. Puthiyaveetil S., Kavanagh T. A., Cain P., Sullivan J. A., Newell C. A., Gray J. C., Robinson C., van der Giezen M., Rogers M. B., Allen J. F. The ancestral symbiont sensor kinase CSK links photosynthesis with gene expression in chloroplasts. (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. — 2008. — Vol. 105, no. 29. — P. 10061—10066. — DOI:10.1073/pnas.0803928105. — PMID 18632566. [исправить]
  26. Allen J. F. Why chloroplasts and mitochondria retain their own genomes and genetic systems: Colocation for redox regulation of gene expression. (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. — 2015. — Vol. 112, no. 33. — P. 10231—10238. — DOI:10.1073/pnas.1500012112. — PMID 26286985. [исправить]
  27. Rowland M. A., Deeds E. J. Crosstalk and the evolution of specificity in two-component signaling. (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. — 2014. — Vol. 111, no. 15. — P. 5550—5555. — DOI:10.1073/pnas.1317178111. — PMID 24706803. [исправить]
  28. Barakat M., Ortet P., Whitworth D. E. P2CS: a database of prokaryotic two-component systems. (англ.) // Nucleic acids research. — 2011. — Vol. 39. — P. D771—776. — DOI:10.1093/nar/gkq1023. — PMID 21051349. [исправить]
  29. Ortet P., Whitworth D. E., Santaella C., Achouak W., Barakat M. P2CS: updates of the prokaryotic two-component systems database. (англ.) // Nucleic acids research. — 2015. — Vol. 43. — P. D536—541. — DOI:10.1093/nar/gku968. — PMID 25324303. [исправить]

СсылкиПравить