regulering af sekundær metabolisme

mange sekundære metabolit biosyntetiske genklynger indeholder mindst et klyngespecifikt regulatorisk (CSR) gen, der ofte koder for et Streptomyces antibiotisk regulerende Protein (SARP) eller en transkriptionel regulator af Lal-familien (Store ATP-bindende regulatorer af Luksusfamilien). Førstnævnte er transkriptionsaktivatorer, der indeholder et vinget spiralformet motiv mod deres N-termini, der også findes i ompr-familien af proteiner. SARP – familien af proteiner er kun fundet i actinomycetes og for det meste inden for streptomycetes. Et meget komplekst sæt regulatoriske kaskader forbinder fysiologiske, miljømæssige og udviklingsmæssige signaler til ekspression af pleiotropiske regulatoriske gener og i sidste ende disse vejspecifikke regulatorer og derved styrer sekundær metabolisme efter bakteriens hovedvækstfase (figur 2; gennemgået af Liu et al., 2013; van Visel & MCD, 2011). Eksempler på de pleiotropiske regulatorer er produkterne fra bld-generne, der også regulerer væksten af lufthyphae (afsnit ‘regulering af udvikling’). Som diskuteret tidligere (afsnit ‘primær metabolisme’) påvirker høje koncentrationer af både ammonium og uorganisk fosfat i vækstmediet antibiotikabiosyntesen negativt. Under nitrogenbegrænsende betingelser udløses antibiotisk biosyntese af det stærkt phosphorylerede guanosinnukleotid (p)ppGpp. Følgelig afhænger antibiotikaproduktionen under disse betingelser af den ribosomassocierede ppGpp-syntetase (RelA). Dette kan omgås af mutationer i RNA-underenheden af RNA-polymerase af den art, der giver resistens over for rifampicin: det er muligt, at disse mutationer efterligner effekten af ppGpp-binding til RNA-polymerase og dermed påvirker dens aktivitet til transkription efter hovedvækstfasen. Mutationer, der påvirker translation i løbet af denne del af livscyklussen, har også en betydelig indvirkning på antibiotisk biosyntese. En mutation, der giver streptomycinresistens inden for rpsL, der koder for S12 ribosomal protein, resulterer i øget ekspression af ribosomgenvindingsfaktor, og dette øger igen genekspression under stationær fase.

streptomyceterne producerer typisk ekstracellulære signaler, der regulerer antibiotisk biosyntese. Disse signaler er Larus-Butyrolacton. De er effektive i nanomolære koncentrationer, og den bedst karakteriserede er A-faktor produceret af S. griseus. Usædvanligt kræves a-faktor for både sekundær metabolisme (streptomycin og biosyntese) og morfologisk udvikling. A-faktor, specificeret af afsA-genet, binder til dets cytoplasmatiske receptorprotein ArpA, hvorved sidstnævnte forhindres i at binde og undertrykke adpA-promotoren. AdpA er påkrævet til aktivering af transkription af både strR, det vejspecifikke regulerende gen til streptomycinproduktion og andre medlemmer af adpA regulon, hvoraf nogle er nødvendige for morfologisk differentiering. – butyrolactoner produceret af andre arter regulerer specifikt sekundær metabolisme. Eksempler er virginiae butanolides, der kontrollerer virginiamycin biosyntese i S. virginiae og SCB1, der regulerer produktionen (muligvis indirekte) af de pigmenterede antibiotika af S. coelicolor. For disse eksempler er receptorproteinet også nødvendigt til normal produktion af det beslægtede Lars-Butyrolacton og kodes af et gen, der støder op til den, der specificerer produktionen af signalmolekylet. Desuden støder begge gener op til sekundære metabolitgenklynger, hvis regulering styres af Lars-Butyrolacton. For eksempel ligger i S. coelicolor, scbA, der specificerer SCB1-syntese og scbR, der koder for receptorproteinet, begge ved siden af en klynge af gener, cpk-generne, der specificerer syntese af et ‘kryptisk’ type i-polyketid. I fravær af SCB1 binder ScbR sig til promotoren af det vejspecifikke regulerende gen cpkO og undertrykker dets transkription. En anden ScbR-lignende repressor, ScbR2, styrer også cpkO-udtryk. ScbR2-genet er tæt på cpkO, og repressorproteinet binder i modsætning til ScbR ikke gamma-butyrolactoner. Produkterne fra cpk-klyngen blev afsløret, da scbR2 blev slettet, da dette effektivt opregulerer ekspression af både CSR cpkO og følgelig de CPK biosyntetiske gener. Dette eksempel på manipulation af ekspression af en CSR af en given kryptisk genklynge for at aktivere biosyntese er også opnået for en anden kryptisk type i polyketide-syntase-genklynge I S. ambofaciens og kunne anvendes på andre eksempler på ‘kryptiske’ biosyntetiske veje som en del af lægemiddelopdagelsesprogrammer for at udvide rækkevidden af bioaktive forbindelser, der produceres af streptomyceter.

en pleiotropisk regulator af antibiotikaproduktion i S. coelicolor, AfsR, deler i sin N-terminale region signifikant aminosyrehomologi med SARP-familien af proteiner, mens den indeholder ATP-bindende sekvenser i dens centrale region. AfsR spiller en rolle i et signaltransduktionsfosforelay, der regulerer syntesen af pigmenterede antibiotika Act og rød, og også det calciumafhængige antibiotikum (CDA) specificeret af cda-klyngen. En membranassocieret serin / threonin proteinkinase, AfsK, når den aktiveres af en endnu ukendt miljøkue, autophosphorylerer og til gengæld phosphorylerer cytoplasmatisk AfsR (og også DivIVA, sektion ‘Hyphal vækst og celledeling’). AfsR-P aktiverer derefter transkription af afsS, der koder for et 63-aminosyreprotein, der fungerer på en ukendt måde for at forbedre produktionen af Act, Red og CDA. Andre kinaser (PkaG og AfsL) kan phosphorylere AfsR, hvilket antyder, at det kan integrere en række miljøsignaler.

et paradigme til forståelse af kompleksiteten af regulering af syntese af en given sekundær metabolit vedrører Act biosyntese i S. coelicolor. I dette eksempel er CSR den actii-ORF4 regulator, der styrer Act biosyntese. Denne CSR fungerer som en kritisk knude i det regulerende netværk controlling Act biosyntese, der integrerer information om ernæringsstatus, vækst og udvikling blandt andre faktorer. Dette opnås stort set på transkriptionsniveau, da actII-ORF4-promotoren er ekstraordinært kompleks (for en bakteriel promotorregion), idet den i sig selv er et mål for mindst 10 regulatoriske proteiner. Disse inkluderer AdpA, der selv undertrykkes både af en kurs-Butyrolacton-bindende transkriptionsfaktor (se ovenfor) og af BldD (forbinder morfologisk udvikling med regulering af sekundær metabolisme). AdpA binder til actii-ORF4-promotoren og hjælper med at rekruttere RNA-polymerase og derved aktivere transkription og handle biosyntese. Et andet AdpA-aktiveret målgen er bldA (sektion ‘basissammensætning’), så etablering af en udviklingspositiv feedback-loop, og dette påvirker Act biosyntese, da actII-ORF4 mRNA også indeholder et sjældent bldA-afhængigt UUA-codon. En repressor af actII-ORF4 er DasR, der regulerer det globale respons på N-acetylglucosamin frigivet ved programmeret celledød og autolyse af dele af den vegetative hyfer i slutningen af væksten. Dette produkt frigives fra nedbrydende cellevægge og er, når det er assimileret, deacyleret og phosphoryleret. Den resulterende metabolit binder til DasR og lindrer dens undertrykkelse af actII-ORF4.

det cykliske AMP-receptorprotein, Crp, der er involveret i glukoseundertrykkelse i andre bakterier, er en aktivator af actII-ORF4-ekspression såvel som CSRs for CDA og rød. Andre regulatorer, der virker direkte på actII-ORF4 og er involveret i ernæringsmæssige reaktioner, er operon-repressoren; Afsk1, en aktivator, der reagerer på kvælstofoverskud; GlnR (afsnit ‘primær metabolisme’); DraR, en del af et to-komponent system, der reagerer på kvælstofoverskud; PhoP (afsnit ‘primær metabolisme’); og Atra, selv reguleret af PhoP. Derudover er actii-ORF4-promotoren et mål for de to-komponent responsregulatorer AbrC3 og AbsA2.

regulering af sekundær metabolisme i streptomyceter inkluderer andre forskellige mekanismer; denne kompleksitet kan forventes, da de forskellige bioaktive produkter har en bred vifte af adaptive funktioner, hvoraf mange vi endnu ikke forstår. Derfor kan der eksistere flere parallelle og overlappende reguleringsveje inden for en enkelt art, der koordinerer produktionen af en eller flere sekundære metabolitter som reaktion på forskellige miljømæssige signaler og ofte forbinder produktion med udviklingssignaler, der udløser morfologisk differentiering.

Skriv et svar

Din e-mailadresse vil ikke blive publiceret.