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| ヒスチジンキナーゼ | |||||||||
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| 識別子 | |||||||||
| シンボル | His_キナーゼ | ||||||||
| パム | PF06580 | ||||||||
| インタープロ | 著作権 | ||||||||
| OPMスーパーファミリー | 281 | ||||||||
| OPMタンパク質 | 5イジ | ||||||||
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| HisキナーゼA（リン酸化受容体）ドメイン | |||||||||
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 多次元 NMR により大腸菌EnvZ のホモ二量体ドメインの構造を解明しました。 | |||||||||
| 識別子 | |||||||||
| シンボル | ヒスカ | ||||||||
| パム | PF00512 | ||||||||
| ファム一族 | CL0025 | ||||||||
| インタープロ | 著作権 | ||||||||
| 頭いい | ヒスカ | ||||||||
| SCOP2 | 1b3q / スコープ / SUPFAM | ||||||||
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| ヒスチジンキナーゼ | |||||||||
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| 識別子 | |||||||||
| シンボル | ヒスKA_2 | ||||||||
| パム | PF07568 | ||||||||
| ファム一族 | CL0025 | ||||||||
| インタープロ | 著作権 | ||||||||
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| ヒスチジンキナーゼ | |||||||||
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| 識別子 | |||||||||
| シンボル | ヒスKA_3 | ||||||||
| パム | PF07730 | ||||||||
| ファム一族 | CL0025 | ||||||||
| インタープロ | 著作権 | ||||||||
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| シグナル伝達ヒスチジンキナーゼ、ホモ二量体ドメイン | |||||||||
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 TNP-ATPと複合体を形成したCheAドメインp4の構造 | |||||||||
| 識別子 | |||||||||
| シンボル | Hキナーゼ_dim | ||||||||
| パム | PF02895 | ||||||||
| インタープロ | 著作権 | ||||||||
| SCOP2 | 1b3q / スコープ / SUPFAM | ||||||||
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| ヒスチジンキナーゼN末端 | |||||||||
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| シンボル | 彼のK_N | ||||||||
| パム | PF09385 | ||||||||
| インタープロ | 著作権 | ||||||||
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| 浸透圧感受性K +チャネルHisキナーゼセンサードメイン | |||||||||
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| 識別子 | |||||||||
| シンボル | 翻訳者 | ||||||||
| パム | PF02702 | ||||||||
| インタープロ | 著作権 | ||||||||
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分子生物学では、2成分調節システムは、生物がさまざまな環境条件の変化を感知して反応できるようにする基本的な刺激応答カップリング機構として機能します。 [1] 2成分システムは通常、特定の環境刺激を感知する膜結合ヒスチジンキナーゼと、主に標的遺伝子の差次的発現を介して細胞応答を仲介する対応する応答調節因子で構成されます。[2] 2成分シグナル伝達システムはすべての生命ドメインで見られますが、細菌、特にグラム陰性細菌とシアノバクテリアで圧倒的に一般的です。ヒスチジンキナーゼと応答調節因子は、細菌で最も大きな遺伝子ファミリーの1つです。[3]古細菌と真核生物ではあまり一般的ではありません。酵母、糸状菌、粘菌には存在し、植物では一般的ですが、[1] 2成分システムは動物には「著しく欠けている」と言われています。[3]
機構
2成分系は、ヒスチジンキナーゼ（HK）による応答調節因子（RR）のリン酸化を介してシグナル伝達を達成する。ヒスチジンキナーゼは、通常、ヒスチジンリン酸転移ドメインとATP結合ドメインを含むホモ二量体膜貫通タンパク質であるが、非定型HWEファミリーとHisKA2ファミリーのヒスチジンキナーゼがホモ二量体ではないという報告もある。[4]応答調節因子はレシーバードメインのみで構成されることもあるが、通常はレシーバードメインと少なくとも1つのエフェクターまたは出力ドメインを備えたマルチドメインタンパク質であり、DNA結合に関与することが多い。[3]細胞外環境の特定の変化を検出すると、HKは自己リン酸化反応を実行し、アデノシン三リン酸（ATP）から特定のヒスチジン残基にリン酸化基を転移する。次に、同族の応答調節因子（RR）が、応答調節因子のレシーバードメイン上のアスパラギン酸残基へのリン酸化基の転移を触媒する。[5] [6]これは典型的には構造変化を引き起こし、RRのエフェクタードメインを活性化し、その結果、標的遺伝子の発現を刺激（または抑制）することによって、シグナルに対する細胞応答が生成されます。[3]
多くのHKは二機能性であり、同族の応答調節因子に対するホスファターゼ活性を有するため、シグナル出力はキナーゼ活性とホスファターゼ活性のバランスを反映します。多くの応答調節因子は自己脱リン酸化も行い、[7]比較的不安定なホスホアスパラギン酸も非酵素的に加水分解されます。[1]応答調節因子の全体的なリン酸化レベルが最終的にその活性を制御します。 [1] [8]
フォスフォリレー
いくつかのヒスチジンキナーゼは、内部レシーバードメインを含むハイブリッドです。これらの場合、ハイブリッドHKは自己リン酸化した後、ホスホリル基を別のRRタンパク質ではなく、自身の内部レシーバードメインに転送します。その後、ホスホリル基はヒスチジンホスホトランスフェラーゼ（HPT）に運ばれ、続いて末端RRに運ばれ、目的の応答を引き起こします。[9] [10]このシステムはホスホリレーと呼ばれます。細菌HKの約25％はハイブリッド型であり、真核生物HKの大部分も同様です。[3]
関数
二成分シグナル伝達システムにより、細菌はさまざまな環境、ストレス要因、成長条件を感知し、反応し、適応することができます。 [11]これらの経路は、栄養素、細胞の 酸化還元状態、浸透圧の変化、クオラムシグナル、抗生物質、温度、化学誘引物質、pHなど、さまざまな刺激に反応するように適応しています。 [12] [13]細菌ゲノム内の二成分システムの平均数は約30と推定されており、[14]または原核生物ゲノムの約1～2％です。 [ 15]まったく持たない細菌もいくつかあり（通常は共生細菌と病原体）、200を超える細菌もあります。 [16] [17]このようなシステムはすべて、生体内ではまれなクロストークを防ぐために厳密に制御される必要があります。[18]
大腸菌では、浸透圧調節 EnvZ/OmpR二成分系が外膜 ポリンタンパク質OmpFとOmpCの差次的発現を制御している。 [19] KdpDセンサーキナーゼタンパク質は、大腸菌やクロストリジウム・アセトブチリカムなどの細菌におけるカリウム輸送を担うkdpFABCオペロンを制御している。[20]このタンパク質のN末端ドメインはタンパク質の細胞質領域の一部を形成しており、膨圧を感知するセンサードメインである可能性がある。[21]
ヒスチジンキナーゼ
シグナル伝達ヒスチジンキナーゼは、 2成分シグナル伝達システムの重要な要素です。[22] [23]ヒスチジンキナーゼの例には、浸透圧調節で中心的な役割を果たすEnvZ 、[24]や走化性システムで中心的な役割を果たすCheAがあります。[25]ヒスチジンキナーゼは通常、N末端 リガンド結合ドメインとC末端キナーゼドメインを持っていますが、他のドメインも存在する可能性があります。キナーゼドメインは、ATPによるヒスチジンの自己リン酸化、キナーゼから応答調節因子のアスパラギン酸へのリン酸基転移、および（二機能性酵素の場合）アスパラギン酸リン酸から水へのリン酸基転移を担っています。[26]キナーゼコアは、Ser/Thr/Tyrキナーゼスーパーファミリーとは異なる独自のフォールドを持っています。
HKは、オーソドックスキナーゼとハイブリッドキナーゼの2つのクラスに大別できます。[27] [28]大腸菌EnvZタンパク質に代表されるほとんどのオーソドックスHKは、ペリプラズム膜受容体として機能し、シグナルペプチドと膜貫通セグメントを持ち、タンパク質をペリプラズムN末端感知ドメインと高度に保存された細胞質C末端キナーゼコアに分離します。ただし、このファミリーのメンバーは、不可欠な膜センサードメインを持っています。すべてのオーソドックスキナーゼが膜結合しているわけではなく、たとえば窒素調節キナーゼNtrB（GlnL）は可溶性の細胞質HKです。[6]ハイブリッドキナーゼは、複数のリン酸供与体およびリン酸受容体部位を含み、単一のリン酸転移を促進する代わりに、多段階のリン酸リレースキームを使用します。センサードメインとキナーゼコアに加えて、CheY のようなレシーバードメインと His 含有リン酸転移 (HPt) ドメインが含まれています。
進化
細菌ゲノム中に存在する2成分システムの数は、ゲノムサイズや生態学的ニッチと高い相関関係があり、環境変動の激しいニッチを占める細菌は、より多くのヒスチジンキナーゼと応答調節因子を有する。[3] [29]新しい2成分システムは、遺伝子重複または遺伝子水平伝播によって発生する可能性があり、各プロセスの相対速度は細菌種間で劇的に異なる。[30]ほとんどの場合、応答調節遺伝子は、同族のヒスチジンキナーゼと同じオペロンに位置している。 [3]遺伝子水平伝播は、遺伝子重複よりもオペロン構造を維持する可能性が高い。[30]
真核生物では
二成分系は真核生物ではまれである。酵母、糸状菌、粘菌に見られ、植物では比較的一般的であるが、動物では「著しく欠如している」と説明されている。[3]真核生物の二成分系は、多くの場合、共生細胞小器官からの水平遺伝子伝達に由来する可能性があり、典型的にはハイブリッドキナーゼホスホリレー型である。[3]たとえば、酵母カンジダアルビカンスでは、核ゲノムに見られる遺伝子は共生に由来し、ミトコンドリアを標的としている可能性が高い。[31]二成分系は植物の発生シグナル伝達経路によく統合されているが、遺伝子はおそらく葉緑体からの水平遺伝子伝達に由来している。[3]一例として、シロイヌナズナの葉緑体センサーキナーゼ（CSK）遺伝子が挙げられます。これは葉緑体に由来しますが、現在は核ゲノムに組み込まれています。CSKの機能は、光合成と葉緑体遺伝子発現を結び付ける酸化還元ベースの制御システムを提供します。この観察は、共生細胞小器官によってコードされる遺伝子の保持を説明することを目的としたCoRR仮説の重要な予測として説明されています。[32] [33]
真核生物では標準的な2成分系が稀で、多くの類似機能がセリン、スレオニン、またはチロシンキナーゼに基づくシグナル伝達系に取って代わられている理由は不明である。原因としては、ホスホアスパラギン酸の化学的不安定性があり、より複雑な真核細胞でシグナルを伝達するには安定性の向上が必要であると推測されている。[3]特に、シグナル伝達機構間のクロストークは真核生物のシグナル伝達系では非常に一般的であるが、細菌の2成分系では稀である。[34]
バイオインフォマティクス
配列の類似性とオペロン構造のため、多くの2成分システム、特にヒスチジンキナーゼはバイオインフォマティクス解析によって比較的簡単に識別できます。（対照的に、真核生物のキナーゼは通常簡単に識別されますが、基質とペアにするのは簡単ではありません。）[3] P2CSと呼ばれる原核生物の2成分システムのデータベースは、既知の例を文書化および分類するためにコンパイルされており、場合によっては、パートナーと遺伝的にリンクされていない「孤児」ヒスチジンキナーゼまたは応答調節タンパク質の同族について予測を行うためにコンパイルされています。[35] [36]
参考文献
- ^ abcd Stock AM、Robinson VL、Goudreau PN (2000)。「2成分シグナル伝達」。Annual Review of Biochemistry 69 ( 1): 183–215。doi :10.1146/annurev.biochem.69.1.183。PMID 10966457 。
- ^ Mascher T 、 Helmann JD 、 Unden G (2006年12月)。「細菌シグナル伝達ヒスチジンキナーゼにおける刺激知覚」。Microbiology and Molecular Biology Reviews。70 ( 4): 910–38。doi :10.1128/MMBR.00020-06。PMC 1698512。PMID 17158704。
- ^ abcdefghijkl Capra EJ、Laub MT (2012)。「2成分シグナル伝達システムの進化」。Annual Review of Microbiology。66 :325–47。doi : 10.1146 /annurev-micro-092611-150039。PMC 4097194。PMID 22746333 。
- ^ Herrou, J; Crosson, S; Fiebig, A (2017年2月). 「HWE/HisKA2ファミリーセンサーヒスチジンキナーゼの構造と機能」. Curr. Opin. Microbiol . 36 :47–54. doi :10.1016/j.mib.2017.01.008. PMC 5534388. PMID 28193573 .
- ^ Sanders DA、Gillece-Castro BL、Stock AM、Burlingame AL、Koshland DE (1989年12月)。「走化性応答調節タンパク質CheYのリン酸化部位の同定」。The Journal of Biological Chemistry。264 ( 36): 21770–8。doi : 10.1016/ S0021-9258 (20)88250-7。PMID 2689446。
- ^ ab Sanders DA、Gillece-Castro BL、Burlingame AL、Koshland DE (1992 年 8 月)。「共有結合中間体が転写を活性化するタンパク質ホスファターゼ NtrC のリン酸化部位」。Journal of Bacteriology。174 (15): 5117–22。doi : 10.1128 /jb.174.15.5117-5122.1992。PMC 206329。PMID 1321122 。
- ^ West AH、 Stock AM（2001年6月）。「2成分シグナル伝達システムにおけるヒスチジンキナーゼと応答調節タンパク質」。生化学科学の動向。26 （6）：369–76。doi ：10.1016/s0968-0004（01）01852-7。PMID 11406410 。
- ^ Stock JB、Ninfa AJ 、Stock AM（1989年12月） 。「細菌におけるタンパク質リン酸化と適応反応の調節」。Microbiological Reviews。53（4）：450–90。doi ： 10.1128 /MMBR.53.4.450-490.1989。PMC 372749。PMID 2556636 。
- ^ Varughese KI (2002年4月). 「細菌性リン酸リレータンパク質の分子認識」Current Opinion in Microbiology 5 ( 2): 142–8. doi :10.1016/S1369-5274(02)00305-3. PMID 11934609.
- ^ Hoch JA、Varughese KI (2001年9 月)。「リン酸リレーシグナル伝達におけるシグナルの維持」。Journal of Bacteriology。183 ( 17): 4941–9。doi : 10.1128 / jb.183.17.4941-4949.2001。PMC 95367。PMID 11489844。
- ^ Skerker JM、Prasol MS、Perchuk BS、Biondi EG、Laub MT (2005 年 10 月)。「細菌の成長と細胞周期の進行を制御する 2 成分シグナル伝達経路: システムレベル分析」。PLOS Biology。3 ( 10 ) : e334。doi : 10.1371 / journal.pbio.0030334。PMC 1233412。PMID 16176121。
- ^ Wolanin PM 、 Thomason PA、Stock JB (2002 年 9 月)。「ヒスチジンタンパク質キナーゼ: 動物界外における重要なシグナル伝達物質」。ゲノム 生物学。3 (10): REVIEWS3013。doi : 10.1186/ gb -2002-3-10- reviews3013。PMC 244915。PMID 12372152。
- ^ Attwood PV、Piggott MJ、 Zu XL、 Besant PG (2007年1月)。「ホスホヒスチジンに焦点を当てる」。アミノ酸。32 (1): 145–56。doi :10.1007/s00726-006-0443-6。PMID 17103118。S2CID 6912202 。
- ^ Schaller, GE; Shiu, SH; Armitage, JP (2011年5月10日). 「2成分システムと真核生物シグナル伝達におけるその共選択」Current Biology . 21 (9): R320–30. doi : 10.1016/j.cub.2011.02.045 . PMID 21549954. S2CID 18423129.
- ^ Salvado, B; Vilaprinyo, E; Sorribas, A; Alves, R (2015). 「ゲノムが完全に配列決定された生物の2成分システムとリン酸リレータンパク質におけるHK、HPt、RRドメインとそれらの構成の調査」。PeerJ . 3 : e1183. doi : 10.7717/peerj.1183 . PMC 4558063 . PMID 26339559。
- ^ Wuichet, K; Cantwell, BJ; Zhulin, IB (2010 年 4 月). 「2 成分シグナル伝達システムの進化と系統分布」. Current Opinion in Microbiology . 13 (2): 219–25. doi :10.1016/j.mib.2009.12.011. PMC 3391504. PMID 20133179 .
- ^ シ、X;ウェゲナー フェルトブリュッゲ、S;ハントリー、S;ハマン、N;ヘデリヒ、R; Søgaard-Andersen、L (2008 年 1 月)。 「ミクソコッカス・ザンサスにおける二成分系タンパク質のバイオインフォマティクスと実験的分析」。細菌学ジャーナル。190 (2): 613–24。土井：10.1128/jb.01502-07。PMC 2223698。PMID 17993514。
- ^ Laub MT、Goulian M (2007)。「2成分シグナル伝達経路の特異性」。Annual Review of Genetics。41 : 121–45。doi :10.1146/ annurev.genet.41.042007.170548。PMID 18076326 。
- ^ Buckler DR、Anand GS 、 Stock AM（2000年4月）。「応答調節因子のリン酸化と活性化：双方向の道？」。Trends in Microbiology。8（4）：153–6。doi ： 10.1016 / S0966-842X（00） 01707-8。PMID 10754569。S2CID 39589537 。
- ^ Treuner-Lange A、Kuhn A、 Dürre P (1997 年 7 月)。「Clostridium acetolacticum の kdp システム: クローニング、 配列決定、カリウム濃度に応じた転写制御」。Journal of Bacteriology。179 ( 14): 4501–12。doi : 10.1128 /jb.179.14.4501-4512.1997。PMC 179285。PMID 9226259。
- ^ Walderhaug MO、Polarek JW、Voelkner P、Daniel JM、Hesse JE、Altendorf K、Epstein W (1992 年 4 月)。「kdpABC オペロンの発現を制御するタンパク質 KdpD と KdpE は、2 成分センサー エフェクター クラスの制御因子のメンバーです」。Journal of Bacteriology . 174 (7): 2152–9. doi :10.1128/jb.174.7.2152-2159.1992. PMC 205833 . PMID 1532388。
- ^ Perego M, Hoch JA (1996年3月). 「タンパク質アスパラギン酸ホスファターゼは2成分シグナル伝達システムの出力を制御する」. Trends in Genetics . 12 (3): 97–101. doi :10.1016/0168-9525(96)81420-X. PMID 8868347.
- ^ West AH、Stock AM（2001年6月）。「2成分シグナル伝達システムにおけるヒスチジンキナーゼと 応答調節タンパク質」。生化学科学の動向。26 （6）：369–76。doi ： 10.1016 /S0968-0004（01）01852-7。PMID 11406410 。
- ^ Tomomori C, Tanaka T, Dutta R, Park H, Saha SK, Zhu Y, Ishima R, Liu D, Tong KI, Kurokawa H, Qian H, Inouye M, Ikura M (1999 年 8 月). 「大腸菌ヒスチジンキナーゼ EnvZ のホモ二量体コアドメインの溶液構造」. Nature Structural Biology . 6 (8): 729–34. doi :10.1038/11495. PMID 10426948. S2CID 23334643.
- ^ Bilwes AM、Alex LA、 Crane BR、 Simon MI (1999年1月)。 「シグナル伝達ヒスチジンキナーゼCheAの構造」。Cell.96 (1):131–41.doi: 10.1016 / S0092-8674 ( 00 ) 80966-6.PMID9989504.S2CID16842653 .
- ^ Vierstra RD、Davis SJ (2000 年 12 月)。「バクテリオフィトクロム: フィトクロムシグナル伝達を理解するための新しいツール」。細胞と発生生物学セミナー。11 (6): 511–21。doi :10.1006/scdb.2000.0206。PMID 11145881 。
- ^ Alex LA、Simon MI (1994 年4月)。 「原核生物と真核生物におけるタンパク質ヒスチジンキナーゼとシグナル伝達」。遺伝学の動向。10 (4):133–8。doi :10.1016/0168-9525(94)90215-1。PMID 8029829 。
- ^ Parkinson JS、Kofoid EC (1992)。 「細菌シグナル伝達タンパク質のコミュニケーションモジュール」。Annual Review of Genetics。26 :71–112。doi :10.1146 / annurev.ge.26.120192.000443。PMID 1482126。
- ^ Galperin MY (2006 年 6 月). 「細菌応答調節因子の構造分類: 出力ドメインとドメインの組み合わせの多様性」. Journal of Bacteriology . 188 (12): 4169–82. doi :10.1128/JB.01887-05. PMC 1482966. PMID 16740923 .
- ^ ab Alm E、Huang K、Arkin A (2006 年 11 月)。「細菌の 2 成分システムの進化により、ニッチ適応の異なる戦略が明らかになる」。PLOS Computational Biology。2 ( 11 ) : e143。Bibcode : 2006PLSCB ...2..143A。doi : 10.1371/journal.pcbi.0020143。PMC 1630713。PMID 17083272。
- ^ Mavrianos J、Berkow EL、Desai C、Pandey A、Batish M、Rabadi MJ、Barker KS、Pain D、Rogers PD、Eugenin EA、Chauhan N (2013 年 6 月)。「Candida albicans のミトコンドリア 2 成分シグナル伝達システム」。真核細胞 。12 ( 6 ): 913–22。doi :10.1128/EC.00048-13。PMC 3675996。PMID 23584995。
- ^ Puthiyaveetil S、Kavanagh TA、Cain P、Sullivan JA、Newell CA、Gray JC、Robinson C、van der Giezen M、Rogers MB、Allen JF (2008 年 7 月)。「先祖代々の共生センサーキナーゼ CSK が光合成と葉緑体遺伝子発現を結びつける」。米国科学アカデミー紀要。105 ( 29): 10061–6。Bibcode :2008PNAS..10510061P。doi : 10.1073 / pnas.0803928105。PMC 2474565。PMID 18632566。
- ^ Allen JF (2015年8月). 「なぜ葉緑体とミトコンドリアは独自のゲノムと遺伝子システムを保持するのか：遺伝子発現の酸化還元調節のための共存」。米国科学アカデミー紀要。112 (33): 10231–8。Bibcode : 2015PNAS..11210231A。doi : 10.1073 / pnas.1500012112。PMC 4547249。PMID 26286985。
- ^ Rowland MA, Deeds EJ (2014年4月). 「2成分シグナリングにおけるクロストークと特異性の進化」.米国科学アカデミー紀要. 111 (15): 5550–5. Bibcode :2014PNAS..111.5550R. doi : 10.1073/pnas.1317178111 . PMC 3992699. PMID 24706803 .
- ^ Barakat M、Ortet P、 Whitworth DE (2011 年 1 月)。「P2CS: 原核生物の 2 成分システムのデータベース」。核酸研究。39 (データベース号): D771–6。doi : 10.1093 / nar /gkq1023。PMC 3013651。PMID 21051349。
- ^ Ortet P、Whitworth DE、Santaella C、Achouak W、Barakat M (2015 年 1 月)。「P2CS: 原核生物の 2 成分システム データベースの更新」。核酸研究。43 (データベース号) : D536–41。doi :10.1093/nar/gku968。PMC 4384028。PMID 25324303。
外部リンク
- http://www.p2cs.org: 原核生物の 2 成分システム データベース