El gen rpoS ( R NA po lymerase, sigma S ) codifica el factor sigma sigma-38 (σ38, o RpoS), una proteína de 37,8 kD en Escherichia coli . [1] Los factores sigma son proteínas que regulan la transcripción en bacterias . Los factores sigma se pueden activar en respuesta a diferentes condiciones ambientales. rpoSse transcribe en la fase exponencial tardía, y RpoS es el regulador principal de los genes de la fase estacionaria. RpoS es un regulador central de la respuesta general al estrés y opera tanto de manera retroactiva como proactiva: no solo permite que la célula sobreviva a los desafíos ambientales, sino que también la prepara para las tensiones posteriores (protección cruzada). [2] El regulador transcripcional CsgD es fundamental para la formación de biopelículas , controlando la expresión de las proteínas estructurales y de exportación de curli , y la diguanilato ciclasa , adrA, que activa indirectamente la producción de celulosa. [3] El gen rpoS probablemente se originó en elgammaproteobacteria . [2]
Señal ambiental a la activación: regulación de RpoS
Los mecanismos reguladores que controlan la RpoS existen en varios niveles de organización de genes y proteínas: transcripción , traducción , degradación y actividad de las proteínas. Estos procesos ocurren en respuesta a tensiones como la radiación ultravioleta cercana , el ácido , la temperatura o el choque osmótico , el estrés oxidativo y la privación de nutrientes. Si bien se han identificado muchas entidades reguladoras clave en estas áreas, los mecanismos precisos por los que señalan la transcripción, traducción, proteólisis o actividad de rpoS siguen sin estar caracterizados en gran medida.
Control transcripcional de rpoS
La transcripción de rpoS en E. coli está regulada principalmente por el promotor cromosómico rpoSp. [4] rpoSp promueve la transcripción de ARNm de rpoS y se induce al entrar en la fase estacionaria en células que crecen en medios ricos a través de un mecanismo desconocido. [5] Las rpoSp flanqueantes son dos sitios de unión putativos de cAMP- CRP (proteína receptora de AMP-cAMP cíclica ) que parecen controlar la transcripción de rpoS de una manera antagónica. La posición del primer sitio corriente arriba del principal promotor rpoS corresponde a un "activador clásico" que se encuentra de forma similar en el promotor lac , lo que sugiere que sus efectos sobre la transcripción son activadores (Lange y Hengge-Aronis, 1994); por el contrario, la ubicación del segundo sitio de cAMP-CRP es indicativa de acción inhibidora. En la fase exponencial, los mutantes crp exhiben altos niveles de expresión de rpoS , lo que sugiere que cAMP-CRP inhibe la transcripción de rpoS . Al entrar en la fase estacionaria, por otro lado, cAMP-CRP puede regular al alza la transcripción de rpoS (Hengge-Aronis, 2002). Si bien estas observaciones pueden explicar la naturaleza aparentemente dual de los sitios de unión de cAMP-CRP, requieren una explicación de la selección dependiente de la fase de la activación del sitio de cAMP-CRP para explicar completamente los datos contradictorios. Los controles reguladores adicionales para la transcripción de rpoS incluyen: BarA, una quinasa sensor de histidina que puede activar OmpR y por lo tanto promover la síntesis de porina; niveles de moléculas pequeñas como ppGppp que pueden dificultar el alargamiento o la estabilidad de la transcripción en respuesta a la limitación de aminoácidos, o falta de carbono, nitrógeno o fósforo (Gentry et al. , 1993). A pesar de los numerosos controles sobre la transcripción de rpoS , los niveles de ARNm de rpoS celular permanecen altos durante la fase exponencial y la mayoría de los estímulos extracelulares no afectan significativamente la transcripción de rpoS .
Control traslacional de rpoS
La mayor parte de la expresión de RpoS se determina a nivel de traducción. [6] sRNAs (pequeños no codificantes ARN ) detectan los cambios ambientales y a su vez aumento rpoS la traducción del ARNm para permitir que la célula en consecuencia adaptarse a estrés externo. El promotor de la 85 nucleótidos sRNA DsrA contiene una transcripción sensible a la temperatura de iniciación Thermocontrol ya que es reprimida a altas temperaturas (42C), pero induce (tal vez por la unión complementaria a) rpoS a bajas temperaturas (25 ° C). [7] Otro sRNA, RprA , estimula la traducción de rpoS en respuesta al estrés de la superficie celular señalado a través del sensor cinasa RcsC . [7] Un tercer tipo de ARNs, OxyS, está regulado por OxyR, el sensor principal de choque oxidativo. [8] Se desconoce el mecanismo por el cual OxyS interfiere con la eficiencia de traducción del ARNm de rpoS . Sin embargo, la proteína de unión a ARN Hfq está implicada en el proceso. [9] Hfq se une al ARNm de rpoS in vitro y, por lo tanto, puede modificar la estructura del ARNm de rpoS para una traducción óptima. Hfq activa tanto DsrA como RprA. Por el contrario, LeuO inhibe la traducción de rpoS al reprimir la expresión de dsrA y la proteína HN-S similar a la histona (y su parálogo StpA) inhibe la traducción de rpoS a través de un mecanismo desconocido. Además, H-NS, LeuO, Hfq y DsrA forman una red reguladora interconectada que, en última instancia, controla la traducción de rpoS .
También se demostró que la traducción de RpoS estaba controlada en otras especies bacterianas, además de Escherichia coli. Por ejemplo, en el patógeno humano oportunista Pseudomonas aeruginosa, el sRNA ReaL silencia traduccionalmente el mRNA de rpoS. [10]
Degradación de RpoS
La proteólisis de RpoS forma otro nivel de regulación del factor sigma. La degradación se produce a través de ClpXP, una proteasa en forma de barril compuesta por dos anillos de seis subunidades de la chaperona ClpX dependiente de ATP que rodean dos anillos de siete subunidades de ClpP (Repoila et al. , 2003). El regulador de respuesta RssB se ha identificado como un factor de reconocimiento específico de σS crucial para la degradación de RpoS. Los factores adicionales que se sabe que regulan la proteólisis de RpoS pero a través de mecanismos caracterizados de manera incompleta incluyen: RssA que se encuentra en el mismo operón que RssB; H-NS y DnaK, que también regulan la traducción del ARNm de rpoS , y LrhA; y el fosfato de acetilo afecta a la proteólisis de RpoS actuando posiblemente como un donante de fosforilo para RssB.
El regulon RpoS
De acuerdo con su papel como controlador maestro de la respuesta al estrés bacteriano, RpoS regula la expresión de genes de respuesta al estrés que se dividen en varias categorías funcionales: resistencia al estrés, morfología celular, metabolismo , virulencia y lisis .
Resistencia al estrés
Muchos genes bajo el control de RpoS confieren resistencia al estrés a agresiones tales como daño al ADN , presencia de especies reactivas de oxígeno y choque osmótico . El producto de xthA es una exonucleasa que participa en la reparación del ADN reconociendo y eliminando los monofosfatos 5 'cerca de sitios abásicos en el ADN dañado. [11] Asimismo, las catalasas HPI y HPII, codificadas por katG y katE, convierten las moléculas dañinas de peróxido de hidrógeno en agua y oxígeno. [12] El producto del gen otsBA trehalosa funciona como un osmoprotector y es necesario para la resistencia a la desecación. [13] Otros factores dependientes de RpoS involucrados en el estrés oxidativo incluyen la glutatión reductasa (codificada por gor ) y la superóxido dismutasa (codificada por sodC ). [14]
También se ha encontrado, usando análisis proteómico comparativo con B. pseudomallei , que rpoS regula ocho proteínas que responden a la oxidación, incluida ScoA (una subunidad SCOT) que no se conocía previamente por la participación en la respuesta al estrés oxidativo. El efecto regulador en este caso es la regulación por disminución de RpoS de la expresión de SCOT en respuesta al estrés oxidativo en B. pseudomallei . [15]
Morfología
Los genes dependientes de RpoS implicados en cambios en la permeabilidad de la membrana celular y la morfología celular general pertenecen principalmente a la familia de genes osm . osmB codifica una lipoproteína de la membrana externa que puede desempeñar un papel en la agregación celular (Jung et al. , 1990), [15] mientras que osmY codifica una proteína periplásmica. Los factores adicionales dependientes de RpoS que determinan el tamaño y la forma de la célula incluyen el morfogén bolA y los productos del operón ftsQAZ que juegan un papel en el momento de la división celular. [4] Es probable que el control de la forma celular, la división celular y la interacción célula-célula sean importantes para inhibir la proliferación celular y, por lo tanto, asignar recursos a la supervivencia celular durante períodos de estrés.
Metabolismo
Las condiciones de supervivencia metabólicamente óptimas incluyen la disminución de la actividad del ciclo de Krebs dependiente de RpoS y el aumento de la actividad glucolítica para limitar las especies reactivas de oxígeno que se producen como resultado de procesos celulares esenciales. La entrada de piruvato en el ciclo de Krebs es inhibida por el producto del gen poxB dependiente de RpoS . Una desaceleración general de la actividad metabólica es consistente con la conservación de energía y la reducción del crecimiento durante períodos de estrés.
Virulencia
Como mecanismo de defensa, el entorno del huésped es hostil a los patógenos invasores. Por lo tanto, la infección puede ser un evento estresante para las bacterias patógenas y el control de los genes de virulencia puede correlacionarse temporalmente con el momento de la infección por patógenos. [16] El descubrimiento de genes de virulencia dependientes de RpoS en Salmonella es consistente con RpoS como regulador general de la respuesta al estrés: el gen spv que se encuentra en un plásmido de virulencia en esta bacteria está controlado por RpoS y es necesario para el crecimiento en tejido linfoide profundo como como el bazo y el hígado. [17]
Lisis
RpoS también juega un papel importante en la regulación de la lisis celular. Junto con OmpR, regula al alza el locus de la entericidina ( ecnAB ) que codifica una toxina inductora de lisis. [18] En contraste, la ssnA está controlada negativamente por RpoS pero también promueve la lisis. Paradójicamente, la lisis se considera un proceso de supervivencia en determinados contextos.
Referencias
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