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| H-NS | |||||||||
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 細菌核様体構造タンパク質 H-NS の N 末端ドメイン (オリゴマー化ドメイン) の溶液構造。 | |||||||||
| 識別子 | |||||||||
| シンボル | H-NS | ||||||||
| パム | PF00816 | ||||||||
| インタープロ | 著作権 | ||||||||
| キャス | [ P0ACF8] | ||||||||
| SCOP2 | 1hns / スコープ / SUPFAM | ||||||||
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ヒストン様核小体構造化タンパク質（H-NS）は、12の核小体関連タンパク質（NAP）[1]のうちの1つであり、その主な機能は、異種サイレンシングによる遺伝子発現の調節を含む遺伝物質の組織化です。[2] H-NSは、2つの二量体形成部位、非構造化リンカー領域、およびDNA結合を担うC末端ドメイン（CTD）からなるN末端ドメイン（NTD）によって特徴付けられます。 [2]これは小さなタンパク質（15 kDa）ですが、 [ 3 ]重要な核小体の圧縮と遺伝子の調節（主にサイレンシング）を提供し、高度に発現し、二量体または多量体として機能します。[3]温度変化によりH-NSがDNA二重鎖から解離し、 RNAポリメラーゼによる転写が可能になり、特定の領域では大腸菌や4種の赤痢菌などの腸内細菌における病原性カスケードを引き起こします。[3]
構造
H-NSは、 X線結晶構造解析の証拠に基づくと、細菌DNAを超らせん構造 に凝縮できる特定のトポロジーを持っています。[2]凝縮した超らせん構造は、オリゴマーの形成によって引き起こされる遺伝子抑制にH-NSが関与していることを示唆しています。これらのオリゴマーは、H-NSのN末端ドメインの2つの部位の二量体化により形成されます。 [2]たとえば、サルモネラチフス菌などの細菌種では、H-NSのNTDには、ヘリックスアルファ1、アルファ2、およびアルファ3に二量体化部位が含まれています。次に、アルファヘリックス3と4は、頭と頭の会合によってH-NS-DNA相互作用の超らせん構造を作成する役割を果たします（図2）。[2] [5] H-NSには、Qリンカーとしても知られる構造化されていないリンカー領域も含まれています。[2] C末端ドメインはDNA結合ドメイン（DBD）としても知られ、アデニンとチミンが豊富で、マイナーグルーブ内のフック状のモチーフに存在するDNA領域に対して高い親和性を示します。[2] DNAのこのATに富む領域に存在する塩基スタッキングにより、結合に優先的なマイナーグルーブがわずかに広がります。[2]一般的なDBDには、ゲノム全体で数百回出現する可能性があるAACTA領域とTACTA領域が含まれます。[2]これらのATに富む領域内では、マイナーグルーブの幅は3.5Åで、[3] H-NS結合に優先します。大腸菌では、 H-NSが生体内で ゲノムをマイクロドメインに再構築することが観察されています。[2]細菌ゲノムはOriとTer（H-NSがコードされている大腸菌と赤痢菌のマクロドメイン）を含む4つの異なるマクロドメインに分割されていますが、 [3] H-NSはゲノム全体にわたるこれらの小さな10kbのマイクロドメインの形成に役割を果たしていると考えられています。[2]
関数
H-NS の主な機能はDNA トポロジーに影響を与えることです(図 2 )。H-NS は DNA および DNA-DNA ブリッジに沿った核フィラメントの形成を担っています。H-NS はパッシブ DNA ブリッジャーとして知られており、離れた 2 つの DNA セグメントに結合して静止したままループを形成します。この DNA ループ形成により、H-NS は遺伝子発現を制御できます。[2] H-NS による抑制の緩和は、別のタンパク質の結合、または温度や浸透圧の変化などによって発生する DNA トポロジーの変化によって実現できます。[6] CTD は細菌 DNA に結合して RNA ポリメラーゼの機能を阻害します。これは水平獲得遺伝子に見られる一般的な特徴です。[7] H-NS の構造研究では、C 末端ドメインが完全に保存されているため、大腸菌や赤痢菌などの細菌種が使用されています。 [3]
H-NS-DNA 複合体の形成プロセスは、CTD がゲノム内の優先部位に結合することから始まります。これは、CTD が高親和性を持つ結合部位を探す原因となる、リンカー領域内に位置する大量の正電荷を帯びたアミノ酸残基の結果である可能性があります。[2] CTD が優先領域に結合すると、TpA ステップで、NTD はオリゴマー化して硬い核フィラメントを形成し、好ましい条件が存在する場合、互いにより自由に結合して DNA ブリッジを形成します。このブリッジング形式は「受動ブリッジング」として知られており、RNAP が転写を続行できない可能性があります。[2]この DNA 結合および遺伝子サイレンシング方法をサポートするために使用される実験は、原子間力顕微鏡法およびin vitro での単一分子研究から得られます。[2]
すべての細菌は、生き残るために物理的環境の変化に敏感でなければなりません。これらのメカニズムにより、細胞外環境に応じて遺伝子のオン/オフを切り替えることができます。[3]多くの研究者は、H-NSがこれらの感覚機能に寄与していると考えています。H-NSは、温度調節遺伝子の約60％を制御することが観察されており、37℃でDNA二重鎖から解離できます。 [2] H-NSに見られるこの特定の感受性により病原性が可能になり、これが研究の主な焦点です。宿主の外では、32℃の温度により、Shigella spp.の毒性プラスミドからのH-NSの解離が防止され、病原性に関与するエネルギーコストの高いタンパク質の生産にエネルギーを節約します。[8]マグネシウムイオン（Mg 2+ ）の存在により、H-NSはわずかに開いた構造から完全に開いた構造へのコンフォメーション変化を形成できることが示されており、最終的には負に帯電したNTDと正に帯電したCTD間の相互作用が変化します。[2]マグネシウム濃度が2mM未満では、硬い核タンパク質フィラメントの形成が可能になり、高濃度ではH-NS DNAブリッジの形成が促進されます。[9] NTDとCTDに見られる電荷は、H-NSが温度と浸透圧（pH 7.4未満）の変化に対してどのように敏感であるかを説明している可能性があります。[3] H-NSは他のタンパク質と相互作用してその機能に影響を与えることもできます。たとえば、鞭毛モータータンパク質FliGと相互作用してその活性を高めます。[6]
臨床的意義
H-NS は、赤痢菌、 大腸菌、サルモネラ菌など多くのグラム陰性細菌の病原性において保存された役割を果たしています。これは、主に発展途上国で見られる子供に発症する細菌性赤痢を引き起こすvirFと呼ばれるものを引き起こすvirF遺伝子の転写に関与しています。これら 2 つの細菌種は、宿主細胞への侵入を担い、H-NS によって制御される毒性プラスミドを含んでいます。 [10]興味深いことに、赤痢菌の特殊な毒性プラスミドのオープンリーディングフレーム(ORF)の約 70% はAT に富んでおり、H-NS によるこのプラスミドの長期的制御を可能にしています。[3]
前述のように、研究によると、温度感受性H-NSは37℃で細菌DNAから解離し、RNAポリメラーゼを活性化してVirFの発現を司る遺伝子virFを転写する。VirFは毒性カスケードの主な調節因子であり、 virFプロモーターの温度感受性「ヒンジ」領域の構造が変化し、H-NSによるDNA架橋に不利になることで発現する（図3）。[3] VirFが発現すると、運動性を促進する機能を持つicsAと、赤痢菌カスケードの次の調節タンパク質をコードするvirBの産生をアップレギュレートする。VirBが発現するとすぐに、毒性プラスミドの残りの部分でH-NSが破壊される。[3]
Shigella spp. には H-NS の「分子バックアップ」、つまりパラログが含まれており、毒性プラスミドの組織化に明らかに役立つことから詳細に研究されています。[3] StpAは H-NS のパラログで、種全体で保存されていますが、もう 1 つのSfhはS. flexneri変異株 2457Tでのみ発現しています。 [3]この変異株は、2457T にhns遺伝子が含まれていないため、H-NS の代替として機能するため、研究者にとって非常に興味深いものです。H -NS とそのパラログの相関関係は、現時点では十分に理解されていません。[3]変異体に H-NS が存在しない場合にこれらのパラログが重要であるため、これらのパラログをさらに研究して焦点を当てることで、有望な抗菌治療につながる可能性があります。[3]
参考文献
- ^ Winardhi RS、Yan J、Kenney LJ (2015 年 10 月)。「H-NS は遺伝子発現を制御し、核様体を圧縮する: 単一分子実験からの洞察」。Biophysical Journal。109 ( 7 ) : 1321–1329。Bibcode : 2015BpJ ...109.1321W。doi : 10.1016 / j.bpj.2015.08.016。PMC 4601063。PMID 26445432。
- ^ abcdefghijklmnopqrst Qin L、Erkelens AM、Ben Bdira F、Dame RT（2019年12月）。「細菌DNAブリッジ の設計者：構造的および機能 的に保存されたタンパク質ファミリー」。Open Biology。9（12）：190223。doi ： 10.1098 / rsob.190223。PMC 6936261。PMID 31795918。
- ^ abcdefghijklmnop Picker MA、Wing HJ （2016年12月）。「H-NS 、そのファミリーメンバー、およびShigella種における毒性遺伝子の調節」。 遺伝子。7（12）：112。doi ：10.3390/ genes7120112。PMC 5192488。PMID 27916940。
- ^ 進藤裕、岩城隆、家田隆、胡桃坂裕、上口C、水野隆 他（1995年2月）。 「大腸菌由来のヌクレオイド関連タンパク質 H-NS の DNA 結合ドメインの溶液構造」。FEBS レター。360 (2): 125–131。土井：10.1016/0014-5793(95)00079-o。PMID 7875316。S2CID 44479751 。
- ^ Bloch V, Yang Y, Margeat E, Chavanieu A, Augé MT, Robert B, et al. (2003 年 3 月). 「H-NS 二量体化ドメインは DNA 認識に寄与する新しいフォールドを定義する」. Nature Structural Biology . 10 (3): 212–218. doi :10.1038/nsb904. PMID 12592399. S2CID 25761309.
- ^ ab Donato GM 、 Kawula TH (1998 年 9 月)。「改変 H-NS タンパク質と鞭毛ロータータンパク質 FliG の結合が強化され 、大腸菌の鞭毛回転速度と運動性が高まる」。The Journal of Biological Chemistry。273 ( 37): 24030–24036。doi : 10.1074/ jbc.273.37.24030。PMID 9727020。
- ^ Lucchini S、Rowley G、Goldberg MD、Hurd D、Harrison M、Hinton JC (2006 年 8 月)。「H-NS は細菌における側方獲得遺伝子のサイレンシングを仲介する」。PLOS Pathogens。2 ( 8 ) : e81。doi : 10.1371 / journal.ppat.0020081。PMC 1550270。PMID 16933988。
- ^ Dorman CJ (2014年9月). 「細菌におけるH-NS様核様関連タンパク質、可動性遺伝要素および水平遺伝子伝達」. Plasmid . 75 :1–11. doi :10.1016/j.plasmid.2014.06.004. PMID 24998344.
- ^ Verma SC、Qian Z 、 Adhya SL（2019年12月） 。「大腸菌核様体の構造」。PLOS Genetics。15 （ 12）：e1008456。doi ：10.1371 / journal.pgen.1008456。PMC 6907758。PMID 31830036。
- ^ Picker MA 、 Wing HJ (2016年12月)。「H-NS、そのファミリーメンバー、およびShigella種における毒性遺伝子の調節」。 遺伝子。7 ( 12 ): E112。doi : 10.3390 / genes7120112。PMC 5192488。PMID 27916940。