Сигма-фактор

Сигма-фактор (σ-фактор) - это белок, необходимый для инициации транскрипции у бактерий.[1] Это бактериальный фактор инициации транскрипции, который обеспечивает специфическое связывание РНК-полимеразы (RNAP) с промоторами генов. Он гомологичен фактору транскрипции B у архей и эукариотическому фактору TFIIB.[2] Конкретный сигма-фактор, используемый для инициации транскрипции данного гена, будет варьироваться в зависимости от гена и от сигналов окружающей среды, необходимых для инициации транскрипции этого гена. Выбор промоторов с помощью РНК-полимеразы зависит от сигма-фактора, который ассоциируется с ним[3].

Сигма-фактор вместе с РНК-полимеразой известен как РНК-полимераза-холофермент. Каждая молекула холофермента РНК-полимеразы содержит ровно одну субъединицу сигма-фактора. Количество сигма-факторов различается у разных видов бактерий.[1][4] У кишечной палочки есть семь сигма-факторов. Сигма-факторы отличаются своим характерным молекулярным весом. Например, σ70 - это сигма-фактор с молекулярной массой 70 кДа.

Сигма-фактор в комплексе холофермента РНК-полимеразы необходим для инициации транскрипции, хотя, как только эта стадия заканчивается, он диссоциируется от комплекса, и РНК-полимераза продолжает элонгацию самостоятельно.

Специализированные сигма-факторы

Различные сигма-факторы используются в разных условиях окружающей среды. Эти специализированные сигма-факторы связывают промоторы генов, соответствующие условиям окружающей среды, увеличивая транскрипцию этих генов.

Сигма-факторы кишечной палочки:

  • σ70 (RpoD) - σA - сигма-фактор «домашнего хозяйства» или также называемый первичный сигма-фактор, транскрибирует большинство генов в растущих клетках. Каждая клетка имеет сигма-фактор «домашнего хозяйства», который поддерживает работу важных генов и путей.[1] В случае кишечной палочки и других грамотрицательных палочковидных бактерий сигма "домашнего хозяйства" - σ70.[1] Все гены, распознаваемые σ70, содержат сходные консенсусные последовательности промотора, состоящие из двух частей.[1] Консенсусные промоторные последовательности обычно находятся в 10 и 35 нуклеотидах относительно основания ДНК, соответствующего началу РНК-транскрипта (позиции -10 и -35 перед стартовой точкой).
  • σ19 FecI - сигма-фактор, регулирующий ген fec для транспорта трехвалентного железа
  • σ24 RpoE - сигма-фактор экстрацитоплазматического / экстремального теплового стресса
  • σ28 RpoF - жгутиковый сигма-фактор
  • σ32 RpoH - сигма-фактор теплового шока, включается при воздействии тепла на бактерию. Из-за более высокой экспрессии фактор будет с высокой вероятностью связываться с кор-ферментом РНК-полимеразы. При этом экспрессируются другие белки теплового шока, которые позволяют клетке выживать при более высоких температурах. Некоторые из ферментов, которые экспрессируются при активации σ32, представляют собой шапероны, протеазы и ДНК-репаративные ферменты.
  • σ38 RpoS[англ.] - сигма-фактор голодной / стационарной фазы
  • σ54 RpoN - сигма-фактор ограничения азота

Существуют также анти-сигма-факторы[англ.], которые ингибируют функцию сигма-факторов, и анти-анти-сигма-факторы, которые восстанавливают функцию сигма-фактора.

Структура

Sigma70 region 1.1
Идентификаторы
Символ Sigma70_r1_1
Pfam PF03979
InterPro IPR007127
Доступные структуры белков
Pfam структуры
PDB RCSB PDB; PDBe; PDBj
PDBsum 3D-модель
Логотип Викисклада Медиафайлы на Викискладе
Sigma70 region 1.2
Crystal structure of Thermus aquaticus RNA polymerase sigma subunit fragment containing regions 1.2 to 3.1
Crystal structure of Thermus aquaticus RNA polymerase sigma subunit fragment containing regions 1.2 to 3.1
Идентификаторы
Символ Sigma70_r1_2
Pfam PF00140
InterPro IPR009042
PROSITE PDOC00592
SCOP 1sig
SUPERFAMILY 1sig
Доступные структуры белков
Pfam структуры
PDB RCSB PDB; PDBe; PDBj
PDBsum 3D-модель
Логотип Викисклада Медиафайлы на Викискладе
Sigma70 region 2
Crystal structure of a sigma70 subunit fragment from Escherichia coli RNA polymerase
Crystal structure of a sigma70 subunit fragment from Escherichia coli RNA polymerase
Идентификаторы
Символ Sigma70_r2
Pfam PF04542
Pfam clan CL0123
InterPro IPR007627
PROSITE PDOC00592
SCOP 1sig
SUPERFAMILY 1sig
Доступные структуры белков
Pfam структуры
PDB RCSB PDB; PDBe; PDBj
PDBsum 3D-модель
Логотип Викисклада Медиафайлы на Викискладе
Sigma70 region 3
Solution structure of sigma70 region 3 from Thermotoga maritima
Solution structure of sigma70 region 3 from Thermotoga maritima
Идентификаторы
Символ Sigma70_r3
Pfam PF04539
Pfam clan CL0123
InterPro IPR007624
SCOP 1ku2
SUPERFAMILY 1ku2
Доступные структуры белков
Pfam структуры
PDB RCSB PDB; PDBe; PDBj
PDBsum 3D-модель
Логотип Викисклада Медиафайлы на Викискладе
Sigma70 region 4
Solution structure of sigma70 region 4 from Thermotoga maritima
Solution structure of sigma70 region 4 from Thermotoga maritima
Идентификаторы
Символ Sigma70_r4
Pfam PF04545
Pfam clan CL0123
InterPro IPR007630
SCOP 1or7
SUPERFAMILY 1or7
Доступные структуры белков
Pfam структуры
PDB RCSB PDB; PDBe; PDBj
PDBsum 3D-модель
Логотип Викисклада Медиафайлы на Викискладе
Sigma70 region 4.2
Crystal structure of Escherichia coli sigma70 region 4 bound to its -35 element DNA
Crystal structure of Escherichia coli sigma70 region 4 bound to its -35 element DNA
Идентификаторы
Символ Sigma70_r4_2
Pfam PF08281
Pfam clan CL0123
InterPro IPR013249
SCOP 1or7
SUPERFAMILY 1or7
Доступные структуры белков
Pfam структуры
PDB RCSB PDB; PDBe; PDBj
PDBsum 3D-модель
Логотип Викисклада Медиафайлы на Викискладе

Сигма-факторы имеют четыре основные части, которые обычно присутствуют во всех сигма-факторах: 

N-конец --------------------- C-конец
          1.1    2    3    4

Основные части дополнительно подразделяются (например, 2 включает в себя 2.1, 2.2 и т. д.)

  • Область 1.1 обнаруживается только в «первичных сигма-факторах» (RpoD, RpoS у кишечной палочки). Он обеспечивает связываемость сигма-фактора с промотором только тогда, когда он находится в комплексе с РНК-полимеразой.
  • Регион 2.4 распознает и связывается с -10-элементом промотора (он называется «Прибнов-бокс»).
  • Регион 4.2 распознает и связывается с -35-элементом промотора.

Единственным исключением из этой правила является сигма-фактор типа σ54. Белки, гомологичные σ54 (RpoN), являются функциональными сигма-факторами, но имеют существенно отличающиеся аминокислотные последовательности.

Задержка во время элонгации при транскрипции

Основная РНК-полимераза (состоящая из 2 альфа (α), 1 бета (β), 1 бета-штрих (β ') и 1 омега (ω) субъединиц) связывает сигма-фактор с образованием комплекса, называемого холоферментом РНК-полимеразы. Ранее считалось, что холофермент инициирует транскрипцию, в то время как основная РНК-полимераза (кор-фермент) самостоятельно синтезирует РНК. Таким образом, было принято мнение, что сигма-фактор должен диссоциировать при переходе от инициации транскрипции к элонгации транскрипции (этот переход называется «побегом промотора»). Эта точка зрения была основана на анализе очищенных комплексов РНК-полимеразы, застопорившихся при инициации и при элонгации. Наконец, структурные модели комплексов РНК-полимеразы предсказывают, что, поскольку растущий продукт РНК становится длиннее ~ 15 нуклеотидов, сигма должна быть «вытолкнута» из холофермента, поскольку между РНК и сигма-доменом происходит стерическое столкновение. Тем не менее, недавнее исследование показало, что σ70 может оставаться связанным в комплексе с основной РНК-полимеразой, по крайней мере, во время ранней элонгации.[5] Действительно, феномен промоторно-проксимальной паузы указывает на то, что сигма играет роль в ранней элонгации транскрипции. Все исследования согласуются с предположением, что «побег промотора» сокращает время жизни взаимодействия сигма-фактора с кор-ферментом РНК-полимеразы с очень длинного в начале (слишком длинного, чтобы быть измеренным в типичном биохимическом эксперименте) до более короткого, измеримого времени жизни при переходе к этапу элонгации.

σ цикл

Долгое время считалось, что σ-фактор обязательно покидает основной фермент (кор-фермент), как только он инициирует транскрипцию, позволяя свободному σ-фактору связываться с другим кор-ферментом и инициировать транскрипцию в другом сайте. Таким образом, σ-фактор переходит от одного кор-фермента к другому. Однако Ричард Эбрайт и его коллеги, используя метод передачи энергии флуоресцентного резонанса (FRET), позже показали, что σ-фактор не обязательно покидает кор-фермент.[5] Вместо этого σ-фактор изменяет свою связь с кор-ферментом во время инициации и удлинения. Следовательно, σ-фактор циклически переходит между сильно связанным состоянием во время инициирования и слабосвязанным состоянием во время элонгации транскрипции.

См. также

Примечания

  1. ↑ 1 2 3 4 5 Gruber TM, Gross CA (2003). "Multiple sigma subunits and the partitioning of bacterial transcription space". Annual Review of Microbiology. 57: 441–66. DOI:10.1146/annurev.micro.57.030502.090913 Архивная копия от 6 ноября 2018 на Wayback Machine. PMID 14527287 Архивная копия от 23 декабря 2018 на Wayback Machine.
  2. ↑ Burton SP, Burton ZF (6 November 2014). "The σ enigma: bacterial σ factors, archaeal TFB and eukaryotic TFIIB are homologs". Transcription. 5 (4): DOI:10.4161/21541264.2014.967599 Архивная копия от 1 февраля 2022 на Wayback Machine. PMC 4581349. PMID 25483602 Архивная копия от 23 декабря 2018 на Wayback Machine.
  3. ↑ Ho TD, Ellermeier CD (April 2012). "Extra cytoplasmic function σ factor activation". Current Opinion in Microbiology. 15 (2): 182–8. DOI: 1016/j.mib.2012.01.001. PMC 3320685. PMID 22381678 Архивная копия от 23 декабря 2018 на Wayback Machine.
  4. ↑ Sharma U. K., Chatterji D. Transcriptional switching in Escherichia coli during stress and starvation by modulation of sigma activity (англ.) // FEMS Microbiology Reviews : journal. — 2010. — September (vol. 34, no. 5). — P. 646—657. — doi:10.1111/j.1574-6976.2010.00223.x. — PMID 20491934.
  5. ↑ 1 2 Kapanidis A. N., Margeat E., Laurence T. A., Doose S., Ho S. O., Mukhopadhyay J., Kortkhonjia E., Mekler V., Ebright R. H., Weiss S. Retention of transcription initiation factor sigma70 in transcription elongation: single-molecule analysis (англ.) // Molecular Cell[англ.] : journal. — 2005. — November (vol. 20, no. 3). — P. 347—356. — doi:10.1016/j.molcel.2005.10.012. — PMID 16285917.