Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

В биологии , изменение фазы представляет собой способ для решения быстро меняющихся средах , не требуя случайной мутации. Он включает в себя вариацию экспрессии белка, часто включающую-выключающую, в разных частях бактериальной популяции. Таким образом, фенотип может переключаться с частотами, которые намного выше (иногда> 1%), чем частота классических мутаций. Фазовое изменение способствует вирулентности, вызывая неоднородность. Хотя это чаще всего изучается в контексте уклонения от иммунитета , оно наблюдается и во многих других областях и используется различными типами бактерий, включая виды сальмонелл .

Сальмонеллы используют этот метод для переключения между разными типами белка флагеллина . В результате собираются жгутики с разным строением. Как только адаптивный ответ был установлен против одного типа флагеллина или если предыдущее столкновение оставило адаптивную иммунную систему готовой к работе с одним типом флагеллина, переключение типов делает ранее высокоаффинные антитела, TCR и BCR неэффективными против жгутиков.

Рекомбинация для конкретного сайта [ править ]

Сайт-специфические рекомбинации обычно короткие и происходят в одном целевом сайте в рекомбинирующей последовательности. Для этого обычно существует один или несколько кофакторов (чтобы назвать несколько: ДНК-связывающие белки и наличие или отсутствие сайтов связывания ДНК) и сайт-специфическая рекомбиназа . [1] Происходит изменение ориентации ДНК, которое влияет на экспрессию гена или структуру генного продукта. [2] Это достигается путем изменения пространственного расположения промотора или регуляторных элементов. [1]

Инверсия [ править ]

Сайт-специфическая рекомбинация фазовых вариаций - инверсия

За счет использования конкретных рекомбиназ конкретная последовательность ДНК инвертируется, что приводит к переключению с ВКЛ на ВЫКЛ и наоборот для гена, расположенного внутри или рядом с этим переключателем. Многие виды бактерий могут использовать инверсию для изменения экспрессии определенных генов в пользу бактерий во время инфекции. [1] Событие инверсии может быть простым путем включения переключения экспрессии одного гена, например, экспрессии пилина E. coli , или более сложным путем включения нескольких генов в экспрессию нескольких типов флагеллина S. typhimurium . [3] Фимбриальная адгезия фимбриями типа I в E. coli претерпевает сайт-специфическую инверсию, чтобы регулировать экспрессию fimA., основная субъединица пилей, в зависимости от стадии инфекции. Обратимый элемент имеет внутри промотор, который в зависимости от ориентации включает или выключает транскрипцию fimA . Инверсия опосредуется двумя рекомбиназами, FimB и FimE, и регуляторными белками H-NS, интеграционным фактором хозяина (IHF) и белком, чувствительным к лейцину (LRP). Рекомбиназа FimE способна только инвертировать элемент и выключать экспрессию, в то время как FimB может опосредовать инверсию в обоих направлениях. [4]

Вставка-иссечение [ править ]

Если вырезание точное и восстановлена ​​исходная последовательность ДНК, обратимое изменение фазы может быть опосредовано транспозицией . Изменение фазы, опосредованное транспозицией, нацелено на конкретные последовательности ДНК. [5] P. atlantica содержит локус eps, который кодирует внеклеточный полисахарид, и включение или выключение экспрессии этого локуса контролируется наличием или отсутствием IS492. Два рекомбиназы , кодируемые Moov и PIV опосредуют точное вырезание и вставку, соответственно, вставки элемента IS492 в Eps локуса. Когда IS492 иссекается, он становится круглым внехромосомным элементом, что приводит к восстановлению экспрессии eps .[5] [6]

Другой, более сложный пример сайт-специфической перестройки ДНК используется в жгутиках Salmonella typhimurium . В обычной фазе промоторная последовательность способствует экспрессии гена жгутика H2 вместе с репрессором гена жгутика H1. Как только эта промоторная последовательность инвертируется геном hin, репрессор выключается, как и H2, позволяя экспрессировать H1.

Преобразование гена [ править ]

Основная статья: Преобразование генов

Преобразование гена - еще один пример типа изменения фазы. Таким образом контролируются пили типа IV Neisseria gonorrhoeae . Существует несколько копий гена, кодирующего эти пили (гена Pil), но в любой момент времени экспрессируется только одна. Это называется геном PilE. Молчащие версии этого гена, PilS, могут использовать гомологичную рекомбинацию для объединения с частями гена PilE и, таким образом, создания другого фенотипа. Это позволяет иметь до 10 000 000 различных фенотипов пилей [ необходима цитата ] .

Эпигенетическая модификация - Метилирование [ править ]

В отличие от других механизмов изменения фазы, эпигенетические модификации не изменяют последовательность ДНК, и поэтому изменяется фенотип, а не генотип. Целостность генома не нарушена, и изменение, вызванное метилированием, изменяет связывание факторов транскрипции. Результатом является регуляция транскрипции, приводящая к переключению экспрессии генов. [2] [5] Белок внешней мембраны Antigen 43 (Ag43) в E. coli контролируется фазовой изменчивостью, опосредованной двумя белками, ДНК-метилирующим ферментом дезоксиаденозинметилтрансферазой (Dam) и регулятором окислительного стресса OxyR. Ag43, расположенный на поверхности клетки, кодируется геном Agn43 (ранее обозначался как flu) и важен для биопленок и инфекции. Экспрессия Agn43 зависит от связывания регуляторного белка OxyR. Когда OxyR связывается с регуляторной областью Agn43 , которая перекрывается с промотором, он ингибирует транскрипцию. Фаза ON транскрипции зависит от метилирования Dam последовательности GATC в начале гена Agn43 (который перекрывается с сайтом связывания OxyR). Когда Dam метилирует сайты GATC, он препятствует связыванию OxyR, обеспечивая транскрипцию Ag43. [7]

Вложенная инверсия ДНК [ править ]

В этой форме фазовые вариации. Промоторная область генома может перемещаться от одной копии гена к другой посредством гомологичной рекомбинации . Это происходит с поверхностными белками плода Campylobacter . Все несколько различных белков поверхностных антигенов молчащие, за исключением одного, и все они имеют консервативную область на 5'-конце. Затем промоторная последовательность может перемещаться между этими консервативными областями и обеспечивать экспрессию другого гена [ цитата необходима ] .

Неправильное соединение прядей со смещением [ править ]

Ошибочное спаривание со скользящей цепью (SSM) - это процесс, который вызывает неправильное спаривание коротких повторяющихся последовательностей между материнской и дочерней цепями во время синтеза ДНК . [1] Этот RecA -независимый механизм может происходить либо во время репликации ДНК или репарации ДНК , и может быть на переднем или отстающей цепи. SSM может привести к увеличению или уменьшению количества коротких повторяющихся последовательностей. Короткие повторяющиеся последовательности составляют от 1 до 7 нуклеотидов и могут быть гомогенными или гетерогенными повторяющимися последовательностями ДНК. [3]

Измененная экспрессия гена является результатом SSM и в зависимости от того, где происходит увеличение или уменьшение последовательности коротких повторов по отношению к промотору, будет регулироваться либо на уровне транскрипции, либо на уровне трансляции. [8] Результатом является фаза включения или выключения гена или генов.

Регуляция транскрипции (нижняя часть рисунка) происходит несколькими путями. Один из возможных способов состоит в том, что повторы расположены в промоторной области в сайте связывания РНК-полимеразы , -10 и -35 выше гена (ов). Условно- патогенный возбудитель H. influenzae имеет два дивергентно ориентированных промотора и гены фимбрий hifA и hifB . Перекрывающиеся промоторные области имеют повторы динуклеотида ТА в последовательностях -10 и -35. Посредством SSM повторяющаяся область ТА может подвергаться добавлению или вычитанию динуклеотидов ТА, что приводит к обратимой фазе включения или фазе выключения транскрипции hifA и hifB . [3] [9] Второй способ, которым SSM индуцирует регуляцию транскрипции, заключается в изменении последовательностей коротких повторов, расположенных вне промотора. Если есть изменение в короткой повторяющейся последовательности, это может повлиять на связывание регуляторного белка, такого как активатор или репрессор. Это также может привести к различиям в посттранскрипционной стабильности мРНК. [5]

Трансляция белка может регулироваться SSM, если короткие повторяющиеся последовательности находятся в кодирующей области гена (верхняя часть рисунка). Изменение количества повторов в открытой рамке считывания может повлиять на последовательность кодона путем добавления преждевременного стоп-кодона или изменения последовательности белка. Это часто приводит к усеченному (в случае преждевременного стоп-кодона) и / или нефункциональному белку.

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d Хендерсон И. Р., Оуэн П., Натаро Дж. П. (1999). «Молекулярные переключатели - включение и выключение изменения бактериальной фазы» . Mol Microbiol . 33 (5): 919–32. DOI : 10.1046 / j.1365-2958.1999.01555.x . PMID  10476027 .
  2. ^ a b Бэйлисс CD (2009). «Детерминанты скорости изменения фазы и пригодность различных показателей для бактериальных патогенов и комменсалов» . FEMS Microbiol Rev . 33 (3): 504–520. DOI : 10.1111 / j.1574-6976.2009.00162.x . PMID 19222587 . 
  3. ^ a b c Вишневски-Дье Ф, Флакон L (2008). «Фазовые и антигенные вариации, опосредованные модификациями генома». Антони ван Левенгук . 94 (4): 493–515. DOI : 10.1007 / s10482-008-9267-6 . PMID 18663597 . 
  4. ^ Галли Д.Л., Богэн JA, Эйзенштейн БИ, Бломфилд ИК (1993). «Регулирование окружающей среды переключателя fim, контролирующего изменение фимбриальной фазы 1 типа у Escherichia coli K-12: влияние температуры и среды» . J Bacteriol . 175 (19): 6186–93. DOI : 10.1128 / jb.175.19.6186-6193.1993 . PMC 206713 . PMID 8104927 .  
  5. ^ a b c d van der Woude MW, Bäumler AJ (2004). «Фазовая и антигенная изменчивость у бактерий» . Clin Microbiol Rev . 17 (3): 581–611. DOI : 10.1128 / CMR.17.3.581-611.2004 . PMC 452554 . PMID 15258095 .  
  6. Перейти ↑ Higgins BP, Carpenter CD, Karls AC (2007). «Хромосомный контекст управляет высокочастотным прецизионным удалением IS492 у Pseudoalteromonas atlantica» . Proc Natl Acad Sci USA . 104 (6): 1901–1906. DOI : 10.1073 / pnas.0608633104 . PMC 1794265 . PMID 17264213 .  
  7. ↑ van der Woude MW, Henderson IR (2008). «Регулирование и функция Ag43 (грипп)». Annu Rev Microbiol . 62 : 153–169. DOI : 10.1146 / annurev.micro.62.081307.162938 . PMID 18785838 . 
  8. Перейти ↑ Torres-Cruz J, van der Woude MW (2003). «Неправильное спаривание цепей со смещением может функционировать как механизм изменения фазы у Escherichia coli» . J Bacteriol . 185 (23): 6990–6994. DOI : 10.1128 / JB.185.23.6990-6994.2003 . PMC 262711 . PMID 14617664 .  
  9. ^ ван Хам SM, ван Альфен L, Mooi FR, ван Путтен JP (1993). «Фазовая вариация фимбрий H. influenzae: транскрипционный контроль двух дивергентных генов через вариабельную комбинированную промоторную область». Cell . 73 (6): 1187–96. DOI : 10.1016 / 0092-8674 (93) 90647-9 . PMID 8513502 .