Важливий механізм адаптації до стресу полягає в зміні зкспрессіі генів

У реакції бактерій на стрес важлива роль іонних каналів

Як встановлено за останні кілька років, іонні канали можуть виконувати важливу роль у передачі сигналу стресу і підтримці гомеостазу (табл. 28.1). Іонні канали відрізняються від інших транспортних систем тим, що їх функціонування не пов'язане з надходженням енергії від іншого джерела; коли канали знаходяться в відкритому стані, рух іонів і розчинних речовин зумовленоий їх злектрохімічним градієнтом. Крім того, канали відрізняються від транспортних білків тим, що через кожний канальний отвір мембрану одночасно перетинає безліч іонів (часто більше 10⁴), тоді як транспортна система переносить за один цикл один, рідкше більше трьох іонів (молекул). Будь який канал по суті представляє собою аллостеричний регульований білок, активність якого залежить від зсвязування з регуляторною молекулою або від зміни фізичних параметрів (наприклад, тиску або мембранного потенціалу). Для іонних каналів характерно три основні стани: відкриті, закриті і інактивовані.

Два основних класи каналів, поширенех у бактерій, ─ це канали, які активують розтяганням, і аквапоринові канали. Канали цих класів беруть участь у регуляції тургорного тиску. Канали, які утворені білками-аквапоринами, сприяють виходу води через плазматичну мембрану і можуть весь час перебувати в відкритому стані. Канали, які активують розтягуванням мембрани, відкриваються при дуже високому тургоному тиску на мембрану. Ці канали утворюють великі пори в мембрані, що призводить до швидкої втрати клітиною низькомолекулярних сполук, наприклад амінокислот, цукрів і нуклеотидів, але не велики молекули (таких як високомолекулярні білки). Оскільки при активації цих каналів змінюється внутрішньоклітинний рН та інші іонні градієнти,то регуляція їх дуже важлива для адаптації до змін осмотичного тиску; нерегульована активність в даному випадку може визивати пошкодження клітини.

Протягом останніх десяти років у бактерій описані три важливі механізми регуляції експресії генів, связанних з відповіддю на стрес: зміни топології ДНК, активація двокомпонентннх систем (див. розд. 20.4) і варіювання специфічності РНК-полімерази до промоторів. Зміни топології ДНК і специфічності РНК-полімеразни, а також активація інших регуляторних білків зазвичай відбуваються при адаптації до стресу узгоджено.

На експресію генів впливає тополягія ДНК □ Кільцева бактеріальна хромосома містить приблизно 50 надспіралізованих доменів (див. розд. 14.2). Утворення негативних надвитків призводить до зміни числа пар нуклеотидів на один оборот спіралі.

Експресія може підвищуваться або знижуватися відносно зміни негативної надспіралізації ДНК. Зростання числа негативних надвитків, сприяє поділу ланцюгів ДНК і, таким чином, ініціації транскрипції. Однак сила промотора визначається багатьма елементами послідовності, які є навколо точки початку транскрипції, і відповідно відповідь кожного промотора на зміни в надспіралізаціі ДНК специфічна. Наприклад, активність гена proU Salmonella typhimurium залежить головним чином від зміни топології ДНК, проте чутливий до топології регуляторний елемент розташований поза промотором, в першому структурному гені нижче по ходу транскрипціі.

Зміна умов середовища визиває зміни в топології ДНК, здатні впливати на характер зкспрессіі генів. Імітувати цей вплив можуть антибіотики, що змінюють активність ДНК-гірази; отже, можна припустити, що для транскрипції деяких генів, регульованих умовами середовища, важливі зміни надспіралізаціі ДНК. Вони схожі з змінами топології ДНК, які викликаються «гістоноподібними» білками, які, можливо, підвищують експресію генів, регульованих стресовими умовами.

Зміни надспіралізаціі ДНК можна вважати важливим механізмом бактеріальної адаптації (див. розд. 18.8), оскільки 1) зміни зовнішнього середовища впливають на рівень негативної надспіралізаціі ДНК і 2) регульовані такими змінами промотори відповідають на зміни надспіралізаціі ДНК (табл. 28.2). У E.coli рівень негативної надспіралізаціі ДНК збільшується при анаеробіозі, лужному рН і високому осмотичному тиску, а також в залежності від температури і фази росту. Не дивно, що багато генів, які індуковані відповідним стресом, який викликає зміни в надспіралізаціі ДНК, індукуються і іншими умовами, які викликають аналогічні зміни топології ДНК.

У недавніх дослідженнях виявлений тісний зв'язок між топологією ДНК і числом ДНК-звязуючих білків, що впливають на її структуру. Серед цих білків найбільш вивчений гістоноподобннй білок H-NS ентеробактерій, який звязується з зігнутими ділянками ДНК і діє як блокатор транскрипції. Інактивація білка H-NS внаслідок мутації робить деякі регульовані стресом генні системи частково конститутивних; зокрема, це відноситься до систем, індукованих осмотичним стресом або підвищенням температури (з 28° С до 37° С). Мутації, які зачіпають H-NS-білок, мають виражений плейотропннй еффект. Наприклад, такі мутації збільшують частоту переключення генів шляхом сайт-специфічної інверсії і впливають на зкепрессію генів.

Двокомпонентні регуляторні системи виконують роль сенсорів і передавачів сигналу □ Білки двокомпонентних систем служать рецепторами/сенсорами і передавачами сигналу; деякі з цих білків пронизують плазматичну мембрану і можуть реагувати як на внутрішні, так і на зовнішні сигнали. Концентрація фосфорильованої форми білка ─ відповідного регулятора залежить від балансу кіназної, фосфотрансферазної і фосфатазної активностей. Сенсор-передавач ─ це аллостерично модульованй білок, який реагує на утворення стрессових умов як на фізичний стимул або через звязування з ним низькомолекулярного з'єднання.

Важливу роль в регуляції експрессіі генів мають зміни структури і активності РНК-полімерази □ Основні зміни активності РНК-полімерази при стресі відбуваються на рівні вибору промотора. Вибір промотора РНК-полімеразою може модулюваться двома шляхами. Один з них ─ це связування аллостеричного зффектора з холоферментом через одну з серцевинних субодиниць з зміною в результаті переважного вибору промотора. Другий поширенй механізм зміни специфічності РНК-полімеразни полягає в заміні звичайної сигма-субодиниці σ70 специфічною субодиницею, що ініціює транскрипцію набору генів з незвичайною структурою промотора (табл. 28.3).

Синтез і активність альтернативних сигма-субодиниць регулюється специфічними клітинними сигналами, що виникають у відповідь на різні стреси. Специфічне нагромадження альтернативної сигма-субодиниці забезпечує своєчасну транскрипцію набору генів, необхідних для виживання в умовах певного стресу.

У організмів, для яких характерна запрограмована диференціація (наприклад, у бацил, клостридій та актиноміцетів), послідовна експрессія різних сигма-субодиниць може бути основним механізмом, що регулює характер розвитку.

Гени рухливості і хемотаксису ентеробактерій також транскрибуються за участю специфічної сигма-субодиниці; можливо, активація цих генів потрібна клітині для того, щоб покинути місцепроживання, тобто умови в які стали несприятливими. У цьому смислі хемотаксис можна розглядати як відповідь на стрес, і, дійсно, ентеробактеріі, залишають область з низьким рН і високим осмотичним тиском.

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
Стрес визиває фізіологічні зрушення	\|	Фізіологічна адаптація до зміни температури

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.006 сек.