グアノシン五リン酸

グアノシン五リン酸
名前
	その他の名前グアノシン五リン酸 (pppGpp)、グアノシン四リン酸 (ppGpp)
識別子
CAS番号	32452-17-8;
ドラッグバンク	DB04022;
パブケム CID	766;
プロパティ
化学式	Ｃ１０Ｈ１８Ｎ５Ｏ２０Ｐ５
モル質量	683.14 グラムモル−1
	特に記載がない限り、データは標準状態（25 °C [77 °F]、100 kPa）の材料に関するものです。インフォボックス参照

(p)ppGpp、グアノシン五リン酸および四リン酸は、 「マジックスポット」ヌクレオチドとしても知られ、^{[1] 、}細菌における厳しい反応に関与するアラーモンであり、アミノ酸が不足するとRNA合成を阻害します。この (p)ppGpp による阻害は細胞内の翻訳を減少させ、存在するアミノ酸を保存します。さらに、ppGpp および pppGpp は、アミノ酸の取り込み（周囲の培地から）や生合成の遺伝子など、ストレス反応に関与する他の多くの遺伝子の上方制御を引き起こします。^{[2] (p)ppGpp は}植物にも保存されており、成長および発達プロセスの調節に役割を果たすことが知られています。^[3]

発見

ppGppとpppGppは、1969年にマイケル・キャシェルによって初めて特定されました。^[4]これらのヌクレオチドは、アミノ酸が不足した大腸菌^{細胞に急速に蓄積し、リボソームRNAと転移RNAの合成を阻害することが分かりました。 [5]}現在では、(p)ppGppは炭素やリン酸の欠乏など他のストレス要因に反応して生成されることもわかっています。歴史的に、(p)ppGppに関する文献では、細菌のストレス反応におけるその役割について矛盾する知見や情報が得られてきました。^[6]

不在

大腸菌は、グアノシン五リン酸よりもグアノシン四リン酸の蓄積に敏感であることが示されています。^[7] (p)ppGppが完全に欠如すると、複数のアミノ酸が必要となり、老化した培養物の生存率が低下し、異常な細胞分裂、形態、運動不能が生じるほか、飢餓状態に入ると成長モードから外れてしまいます。

合成と分解

(p)ppGpp の合成と分解は、細菌モデル生物で ある大腸菌で最も広範囲に特徴付けられています。

合成におけるRelAの役割

(p)ppGpp は pppGppシンターゼ(別名 RelA)によって生成され、 pppGpp ホスホヒドロラーゼによってpppGpp からppGppに変換されます。RelA はリボソーム200 個のうち約 1 個に関連し、電荷を持たない転移 RNA (tRNA) 分子がリボソームの A サイトに入ると、tRNA に必要なアミノ酸が不足して活性化されます。変異細菌がrelA ⁻である場合、それは緩和されていると言われ、アミノ酸の欠如による RNA 生成の調節は見られません。

劣化におけるSpoTの役割

大腸菌は、 (p)ppGpp の分解を担う 2 番目のタンパク質、SpoTを生成します。細胞内のアミノ酸バランスが回復すると、(p)ppGpp はSpoTによって加水分解され、よりエネルギー的に好ましい状態に戻ります。このタンパク質は (p)ppGpp を合成する能力も持ち、特定のストレス条件下では主要な合成酵素であると思われます。他のほとんどの細菌は、(p)ppGpp の合成と分解の両方を担う単一のタンパク質をコードしており、通常は SpoT の相同タンパク質です。

ターゲット

(p)ppGpp のターゲットにはrRNA オペロンが含まれ、大腸菌には 7 つあり、すべて 2 つのプロモーターを持っています。(p)ppGpp がプロモーターと結合すると、RNA ポリメラーゼ酵素が結合して転写を開始する能力に影響します。(p)ppGpp は、RNA ポリメラーゼが DNA 上で形成するオープンコンプレックスの安定性に影響し、プロモーターのクリアランスに影響する可能性があると考えられています。その存在はまた、転写伸長中の一時停止の増加につながり、ヌクレオシド三リン酸基質と競合します。

現在では、ヌクレオシド三リン酸 (NTP) 基質濃度ではなく、(p)ppGpp が成長速度制御の決定因子であるというコンセンサスが得られています。

関数

タンパク質合成の阻害

ppGpp は、おそらく 30S および 50S サブユニットの相互作用を妨害することによって、IF2 媒介の fMet-Phe 開始ジペプチドの形成を阻害します。E. coli は、アミノ酸飢餓中に pppGpp よりも多くの ppGpp を蓄積し、ppGpp は pppGpp よりも約 8 倍の効率があります。一方、B. subtilis は ppGpp よりも多くの pppGpp を蓄積します。

DNA複製の阻害

E. coli では、アミノ酸飢餓により、oriC での開始段階で DNA 複製が阻害されましたが、これはおそらく DnaA 複製開始タンパク質の欠如によるものです。B. subtilis では、(p)ppGpp の蓄積による複製停止は、両方向で oriC から約 100～200kb 離れた特定の部位に Rtp タンパク質が結合することによって発生します。DNA プライマーゼ (DnaG) は、(p)ppGpp によって直接阻害されました。E. coli とは異なり、B. subtilis は ppGpp よりも pppGpp を多く蓄積します。より豊富なヌクレオチドは、より強力な DnaG 阻害剤です。ppGpp は、保存された小型 GTPase タンパク質ファミリーに属する Obg タンパク質と結合できます。Obg タンパク質は、シグマ B のストレス活性化に必要ないくつかの調節因子 (RsbT、RsbW、RsbX) と相互作用します。

ファージの複製と発達

宿主の (p)ppGpp レベルは、主に転写に影響を及ぼし、ファージラムダの発達のセンサーとして機能しているようです。適度な ppGpp レベルは、体内で pR および活性 pE、pI、paQ プロモーターを阻害し、体外で溶原性を促進する効果があります。対照的に、(p)ppGpp が存在しない、または高濃度の場合、溶解が促進されます。適度な ppGpp レベルは、HflB (FtsH) の低下を招き、溶原性を促進します。ppGpp が存在しない、または高い場合、HflB プロテアーゼレベルは高くなります。これにより、CII (溶原性を促進するファージタンパク質) が低下し、溶解が促進されます。

転写

影響を受けるプロモーター

(p)ppGpp によって阻害されるプロモーターの重要な要素の 1 つは、TATA ボックス (-10 ボックス) と +1 nt (+1 は転写開始部位) の間の領域として定義される GC に富んだ識別子の存在です。ppGpp によって負に制御されるプロモーターは、17 bp コンセンサスとは対照的に、16 bp リンカーを持ちます。ppGpp によって活性化されるプロモーターは、AT に富んだ識別子とリンガーリンカーを持つようです (たとえば、hisプロモーターリンカーは 18 bp です)。

RNAPがターゲット

RNAP が ppGpp の標的であることを示唆する遺伝学的証拠は、M+ 変異体 (ストリンジェント RNAP 変異体とも呼ばれる) が、(p)ppGpp が存在しない場合でも、(p)ppGpp によってもたらされる生理機能と転写制御を in vitro および in vivo で模倣するという発見から得られました。ppGpp を RNAP に架橋することで、この概念が強化されました。ppGpp と RNAP の関係の構造詳細は、触媒中心近くの RNAP の二次チャネルに ppGpp を配置した共結晶の分析から得られました。

DksAは規制を強化する

DksA は 17 kDa のタンパク質で、その構造は、よく特徴づけられた転写伸長因子である GreA および GreB に似ています。GreA および GreB は DNA ではなく RNAP に直接結合し、RNAP 二次チャネルを介して N 末端コイルドコイルフィンガードメインを挿入することによって作用します。フィンガードメインの先端にある 2 つの保存された酸性残基は、RNAP の本来の能力であるバックトラック RNA を切断する能力を誘導するために必要です。DksA もフィンガーの先端に 2 つの酸性残基を持っていますが、核酸分解切断活性を誘導しません。代わりに、これらの残基は、重合に不可欠な Mg2+ イオンの相互調整によって RNAP への ppGpp の結合を安定化させると考えられています。

転写阻害と活性化

ppGpp はリボソームプロモーターからの転写を直接阻害します。1 つのモデルは、ppGpp と DksA が一緒になって、RNAP によって DNA 上に形成されたオープン複合体の安定性を個別に低下させるというものです。もう 1 つのモデルは、トラッピングメカニズムです。このモデルでは、RNAP は ppGpp によってクローズド複合体にトラッピングされ、転写を開始できません。したがって、ppGpp は多くのレベルで作用するようで、その作用メカニズムはいくつかの要因の複雑な結果であり、プロモーター固有の特性はその中でも最も重要な要素です。ppGpp による転写活性化は、直接的または間接的です。直接活性化は、RNAP が ppGpp、DksA、またはその両方などのエフェクターと相互作用して、特定のプロモーターからの転写を増加させるときに発生します。1 つのプロモーターのこれらのエフェクターによる間接活性化は、他の (強力な) プロモーターの阻害に依存しており、転写開始を間接的に活性化する RNAP の利用可能性の増加につながります。 ppGpp によって直接活性化されるプロモーターには、 P argI、 P thrABC、 P livJ、および P hisGがあります。間接的に活性化されるプロモーターには、シグマ因子 S、H、N、E に依存するプロモーターがあります。 rrnなどの強力なプロモーターが阻害されると、これらの代替シグマ因子に利用できる RNAP が増えます。

病因

(p)ppGpp が欠如している場合、病原性は、研究対象の生物によって異なる理由により損なわれます。rel A 遺伝子とspo T 遺伝子を削除すると(p)ppGpp ^{0状態になり、マウスで強い弱毒化が起こり、in vitro では非侵襲性となりました。ワクチン試験では}、 (p)ppGpp ⁰株による単回免疫化の 30 日後に、確立された LD _{50の 10}⁶倍の用量の野生型サルモネラによる感染からマウスが保護されたことが明らかになりました。

ポリリン酸の蓄積

大腸菌では (p)ppGpp の合成増加がポリリン酸(PolyP) の蓄積を引き起こすと提案されている。^[8]アラーモンはエキソポリホスファターゼ PPXと相互作用してポリリン酸の加水分解を阻害し、細菌内での蓄積を引き起こす可能性がある。しかし、最近になって、この蓄積を引き起こすのは実際には (p)ppGpp ではなく DksA であることが示された。^[9]緑膿菌では、phoU変異体 ( phoU はPho レギュロンに属する) がより多くの (p)ppGpp を合成することが示されており、これがポリリン酸が蓄積する理由の 1 つであると考えられる。^[10]

参考文献

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さらに読む

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