Ewolucja i zmienność genomu drożdży winiarskichS cerevisiae

RADA REDAKCYJNA
JACEK BIELECKI (Uniwersytet Warszawski), MIECZYSAAW K. BAASZCZYK (Uniwersytet Rzeszowski),
RYSZARD CHRÓST (Uniwersytet Warszawski), JERZY DAUGOCSKI (Uniwersytet Aódzki),
DANUTA DZIERŻANOWSKA (Centrum Zdrowia Dziecka), EUGENIA GOSPODAREK (Akademia Medyczna w Bydgoszczy),
JERZY HREBENDA (Uniwersytet Warszawski), WALERIA HRYNIEWICZ (Narodowy Instytut Zdrowia Publicznego),
MAREK JAKÓBISIAK (Akademia Medyczna w Warszawie), MIROSAAW KACTOCH (Państwowy Zakład Higieny),
ANDRZEJ PASZEWSKI (Instytut Biochemii i Biofizyki PAN), ANDRZEJ PIEKAROWICZ (Uniwersytet Warszawski),
ANTONI RÓŻALSKI (Uniwersytet Aódzki), BOHDAN STAROŚCIAK (Akademia Medyczna w Warszawie),
BOGUSAAW SZEWCZYK (Uniwersytet Gdański), ELŻBIETA TRAFNY (Wojskowy Instytut Higieny i Epidemiologii),
STANISAAWA TYLEWSKA-WIERZBANOWSKA (Państwowy Zakład Higieny),
GRZEGORZ WGRZYN (Uniwersytet Gdański), PIOTR ZIELENKIEWICZ (Uniwersytet Warszawski)
REDAKCJA
JERZY HREBENDA (redaktor naczelny), JACEK BIELECKI (zastępca),
BOHDAN STAROŚCIAK (sekretarz)
Adresy redakcji
Redaktorzy:
Instytut Mikrobiologii, Wydział Biologii, Uniwersytet Warszawski
ul. Miecznikowa 1, 02-096 Warszawa, tel. (0 22) 554 13 05/304, fax (0 22) 554 14 04
e-mail: j.hrebenda@biol.uw.edu.pl; jbielecki@biol.uw.edu.pl
Sekretarz
Zakład Mikrobiologii Farmaceutycznej, Akademia Medyczna
ul. Oczki 3 (parter), 02-007 Warszawa, tel. (0 22) 628 08 22, (0 22) 621 13 51
CZASOPISMO WYDAWANE Z FINANSOW POMOC
KOMITETU BADAC NAUKOWYCH
Index Copernicus 4,88 (2003); KBN PO5 4,0 (2004)
Pismo indeksowane w EMBASE/Excepta Medica
Na okładce: Komórki Listeria monocytogenes wewnątrz mysiej komórki makrofagopodobnej linii I774
(Olympus IX70, wzbudzenie FITC, 1500x), fot. Jarosław Wiśniewski
Projekt okładki: Jerzy Grzegorkiewicz
P OLS KI E TOWARZYS TWO MI KROBI OLOGÓW
Nakład 1150 + 15 egz., Objętość 14 arkuszy wyd., Papier offser 80 g
Skład i druk:
Zakład Wydawniczy Letter Quality, 01-216 Warszawa, Brylowska 35/38,
POST. MIKROBIOL.,
2005, 44, 2, 87 88
http://www.pm.microbiology.pl
Edmund Strzelczyk
1930 2005
W dniu 8 marca 2005 roku zmarł Edmund Strzelczyk,
profesor zwyczajny w Instytucie Biologii Ogólnej
i Molekularnej UMK,
twórca i wieloletni kierownik Zakładu Mikrobiologii.
Urodził się 3 maja 1930 roku w Michałkowicach mikrobiologii, filozofa przyrody o budzącej podziw wie-
(Siemianowicach) koło Katowic. Będąc dzieckiem nie dzy. Znajomość ta przerodziła się z czasem w przyjazń.
mógł się nadziwić, że tego dnia miasto wygląda ina- Z Lublina, będąc młodym asystentem, wyjechał na
czej powiewają flagi i jest odświętny nastrój. Pytając dwa lata do Kanady, do Instytutu Mikrobiologii, jako
matkę, co jest tego przyczyną, w odpowiedzi usłyszał: stypendysta Fundacji Rockefellera. Kontynuował tam
bo dzisiaj są twoje urodziny. To przekonanie towarzy- badania nad bakteriami wiążącymi azot atmosferyczny.
szyło Mu przez lata dzieciństwa. Po powrocie z Kanady, w 1961 roku, obronił rozprawę
Wyjątkowy był dzień urodzin i wyjątkowe było doktorską. Po czterech latach, w 1965 roku, habilitował
gimnazjum im. A. Mickiewicza w Katowicach, które się i jako młody docent wrócił do Torunia obejmując
ukończył w 1950 roku trzech nauczycieli z grona kierownictwo Pracowni Mikrobiologii, którą wkrótce
pedagogicznego miało stopień naukowy doktora. przekształcił w Zakład Mikrobiologii. Ponownie wyje-
Rok ukończenia gimnazjum był czasem podjęcia chał do Kanady (1967 1968), do Instytutu Biologii
ważnej życiowej decyzji. Z zamiłowania leśnik, myś- Komórki w Ottawie jako stypendysta National Rese-
lał o podjęciu studiów na Wydziale Leśnym Akademii arch Council of Canada.
Rolniczej w niedalekim Krakowie. Przyjechał jednak W 1972 roku uzyskał tytuł profesora nadzwyczajne-
do Torunia i rozpoczął studia na Wydziale Matema- go, jako jeden z najmłodszych profesorów w swojej spe-
tyczno-Przyrodniczym Uniwersytetu M. Kopernika. cjalności. Profesorem zwyczajnym został w 1978 roku.
Po uzyskaniu dyplomu 1-szego stopnia (1953), naukę Profesor E. Strzelczyk utworzył unikalny ośrodek
kontynuował na Uniwersytecie Marii Curie-Skłodow- naukowo-badawczy, zajmujący się mikrobiologią gleb
skiej w Lublinie. W 1955 roku uzyskał dyplom ma- i drzew leśnych. Las intrygował Go już od lat mło-
gistra mikrobiologii. Będąc studentem IV roku praco- dości. Chciał przecież studiować leśnictwo. Umiłowa-
wał jako młodszy asystent w Katedrze Mikrobiologii nie lasu i pasja badawcza złożyły się na sukces zawo-
UMCS. Po ukończeniu studiów pracował w Katedrze dowy i życiową satysfakcję.
Mikrobiologii Rolnej Wyższej Szkoły Rolniczej w Lu- Prace badawcze dotyczyły oddziaływań pomiędzy
blinie (do 1965 roku). korzeniami drzew a drobnoustrojami oraz roli drobno-
Był ulubionym uczniem profesor Jadwigi Marszew- ustrojów w prawidłowym funkcjonowaniu ekosyste-
skiej-Ziemięckiej, uznanego w kraju i za granicą mi- mów leśnych. W celu poznania tego złożonego zjawi-
krobiologa, która na osobiste zaproszenie Sergiusza ska ekologicznego trzeba było poznać właściwości
Winogradskiego (współpracownika Pasteura) odbyła fizjologiczne i biochemiczne drobnoustrojów, zarówno
staż naukowy w Instytucie Pasteura w Paryżu. bakterii jak i grzybów. Dlatego kierował badania-
W Lublinie, Profesor Strzelczyk po raz pierwszy mi nad wytwarzaniem hormonów roślinnych, witamin,
spotkał profesora Władysława Kunickiego-Goldfingera, enzymów, aminokwasów, kwasów organicznych, cuk-
intelektualistę, niekwestionowany autorytet w zakresie rów, związków chelatujących żelazo (sideroforów).
88 EDMUND STRZELCZYK (1930 2005)
Badał również wpływ szkodliwych czynników (metale Zwykł mawiać czego słoń nie ruszy z tym bakteria
ciężkie, pestycydy) na aktywność metaboliczną drobno- poradzi sobie z łatwością , dlatego nie odmawiał
ustrojów glebowych. Pierwszy zwrócił uwagę na fakt, pomocy w wykrywaniu skażeń mikrobiologicznych,
że w prawidłowym funkcjonowaniu oddziaływań mu- wyznaczaniu preparatów bakteriobójczych, zabezpie-
tualistycznych pomiędzy korzeniami drzew a grzyba- czaniu procesów produkcyjnych przed korozją mikro-
mi mikoryzowymi aktywnie uczestniczą bakterie, tzw. biologiczną. Współpracował z wieloma zakładami pro-
mycorrhization helper bacteria. Odtąd Zakład Mikrobio- dukcyjnymi w regionie, a także poza nim. Przez wiele
logii stał się jedynym ośrodkiem badawczym w Polsce, lat służył pomocą Wojewódzkiemu Szpitalowi Zespo-
zajmującym się takimi mikroorganizmami. Wyniki swo- lonemu w Toruniu jako kierownik Pracowni Badań
ich badań, Profesor E. Strzelczyk publikował w dzie- Płynów Infuzyjnych. Wypromował ponad dwustu
więtnastu czasopismach zagranicznych i szesnastu cza- magistrów i trzynastu doktorów. Dwoje uczniów uzy-
sopismach krajowych. Jest autorem lub współautorem skało tytuł profesora.
dwustu rozpraw naukowych i dwóch podręczników. Był bardzo wymagającym nauczycielem i szefem.
Dwukrotnie otrzymał dyplom uznania od United States Zdobycie Jego uznania, oznaczało nobilitację. Był nie-
Department of Agriculture, trzykrotnie nagrodę Mini- dościgłym wzorem pracowitości, inteligencji i dowcipu
stra Oświaty i Szkolnictwa Wyższego, Nagrodę Sekre- (który przecież jest funkcją inteligencji). Kiedy zbliżał
tarza Polskiej Akademii Nauk oraz kilkanaście nagród się czas odejścia na emeryturę, jedną z ostatnich prac
JM Rektora UMK. (opublikowaną w Postępach Mikrobiologii) dedykował
W latach 1974 1981 pełnił funkcję Dziekana Wy- nam, swoim pracownikom, z podziękowaniem za wielo-
działu Biologii i Nauk o Ziemi UMK. Przez wiele lat letnią, sumienną i wytrwałą współpracę.
był członkiem Komitetu Mikrobiologii PAN, Komitetu Profesor L. Badura, pochylając się nad trumną
Gleboznawstwa i Chemii Rolnej PAN, Rady Naukowej zmarłego Kolegi przekazał myśli wielu, znających Pro-
Instytutu Mikrobiologii Uniwersytetu Warszawskiego. fesora Strzelczyka ....pragnę podkreślić jeszcze jedną,
Był w składzie Kolegium Redakcyjnego Acta Microbio- może najistotniejszą właściwość Twojej osobowości
logica Polonica oraz Polish Journal of Soil Science. cechowała Cię zawsze wielka skromność i życzliwość
Współpracował z ważnymi ośrodkami naukowymi dla ludzi. Cechowała Cię nadto wyjątkowa prawość
w świecie: United States Department of Agriculture, i przedziwny ujmujący sposób bycia. I choć byłeś
Forestry Sciences Laboratory (Oregon USA), koncer- wymagający i bezkompromisowy w sprawach nauki,
nem farmaceutycznym Hoffman La Roche & Co to zawsze znajdowałeś czas na życzliwe wyjaśnianie
(Szwajcaria). Prowadził seminaria i wykłady w takich zawiłych problemów naukowych i życiowych
krajach jak Kanada, Szwajcaria, USA, Włochy, Niem- Profesora już z nami nie ma. Została tylko Pamięć
cy. i niepokój o czas bez Niego. Czy zrealizował swoje
W kraju współpracował m. in. z Instytutem Den- wszystkie zawodowe pragnienia? Chyba nie. Miała
drologii PAN w Kórniku, Instytutem Badawczym Lasu powstać książka Mikrobiologia lasu ....
w Warszawie/Sękocinie, Wydziałami Leśnymi Aka- Pragnienia umierają ostatnie.
demii Rolniczych w Krakowie i Poznaniu. Hanna Dahm
POST. MIKROBIOL.,
RNA KONTROLUJE AKTYWNOŚĆ WIELU
2005, 44, 2, 89 98
WAŻNYCH GENÓW I PROCESÓW ŻYCIOWYCH
http://www.pm.microbiology.pl
W KOMÓRKACH BAKTERII
Adam Jaworski, Anita Dobrowolska, Paweł Stączek
Zakład Genetyki Drobnoustrojów, Instytut Mikrobiologii i Immunologii, Uniwersytet Aódzki
ul. Banacha 12/16, 90-237 Aódz, tel. (0 48 42) 635 446 365, e-mail: inmik@biol.uni.lodz.pl
Wpłynęło w czerwcu 2004
1. Wprowadzenie. 2. Transkrypt z regulonu agr efektorem kontrolującym ekspresję genów wirulencji Staphylococcus aureus.
3. RNA reguluje ekspresję genów wirulencji w komórkach patogena roślin Erwinia carotovora ssp. carotovora. 4. RNA Vibrio
anguillarum kontroluje system ekspresji białek odpowiedzialnych za pobieranie żelaza. 5. RNA reguluje ekspresje genów bakterii
w odpowiedzi na zmiany temperatury. 6. Rola sRNA w regulacji ważnych procesów życiowych bakterii z rodzaju Enterobacteriaceae.
7. Podsumowanie
RNA may control expression of several genes and metabolic pathways in bacterial cells
Abstract: Since the discovery of operons it has been known that the regulation of gene expression in bacteria is mainly based on the
activity of specialized regulatory proteins which modulate transcription at the early stages. Later, more evidence became available
about the involvement of mRNA secodary structures as well as antisense RNA molecules in this process. Recent data suggest the role
of newly described RNA molecules (sRNA, small regulatory RNA) which can regulate transcription of several genes engaged in the
metabolic pathway or virulence process. These RNA molecules, using short homologous sequences can bind to different mRNAs
causing their degradation, formation of mRNA alternative secondary structure or direct block of rybosome binding site. Moreover,
sRNA can also interact directly with some proteins leading to the change in their activity or degradation.
1. Introduction. 2. Transcript of agr regulon acts as the efector of virulence genes expression in Staphylococcus aureus. 3. RNA
regulates virulence genes expression in plant pathogen Erwinia carotovora ssp. carotovora. 4. RNA of Vibrio anguillarum controls
expression of proteins involved in iron uptake. 5. RNA regulates bacterial genes expression in response to temperature changes.
6. The role of sRNA in regulation of important life processes of Enterobacteriaceae. 7. Conclusions
Key words: RNA, regulation of genes expression, bacteria
Słowa kluczowe: bakterie, regulacja ekspresji genów, struktury RNA
1. Wprowadzenie aureus, w komórkach których RNAIII, cząsteczka o dłu-
gości 512 nukleotydów kontroluje ekspresję wielu ge-
Do niedawna powszechnie sądzono, że regulacja nów wirulencji zarówno na poziomie transkrypcji jak
ekspresji genów w komórkach bakterii, zarówno na po- i translacji [46]. Wiele prac doświadczalnych, publiko-
ziomie określonych operonów jak i bardziej złożonych wanych w ostatnich 5 latach, dotyczy chorobotwórczych
regulonów, zachodzi głównie, jeżeli nie wyłącznie, przy dla roślin szczepów Erwinia, a także chorobotwórczych
udziale specyficznych białek regulatorowych. Poczyna- dla ryb bakterii Vibrio anguillarum. W pierwszym
jąc od 1993 roku nagromadza się coraz większa liczba przypadku za kontrolę genów wirulencji odpowiedzial-
danych, publikowanych w czołowych czasopismach ny jest niskocząsteczkowy RNA (259 nukleotydów),
naukowych (w dziedzinie mikrobiologii, genetyki i bio- zwany RsmA, w drugim zaś, regulatorem jest RNA
logii molekularnej bakterii), które dowodzą, iż zupełnie o długości 650 nukleotydów, pełniący funkcję anty-
inne molekularne mechanizmy, wykorzystujące czą- sensowego RNA, odpowiedzialnego za degradację
steczki RNA, w tym także odmienne od typowych anty- transkryptów kodujących syntezę enzymów zaangażo-
sensowych RNA, mogą kontrolować ekspresję wielu wanych w pobieraniu żelaza. Jeszcze inne mechaniz-
ważnych genów w komórkach zarówno bakterii cho- my takiej kontroli, wykrywane w komórkach coraz
robotwórczych jak i niechorobotwórczych. Ten typ większej liczby bakterii, w tym gatunków niechorobo-
genetycznej regulacji, zwany niekiedy w literaturze twórczych, są związane z funkcją RNA jako termo-
przedmiotu ryboregulacją (ang. ryboregulation), speł- sensorów, a także rolą różnych, małych regulatoro-
nia ważna rolę także w komórkach organizmów euka- wych RNA, zwanych w literaturze przedmiotu jako
riotycznych, w tym roślin i zwierząt [17, 28, 47, 53]. sRNA (small regulatory RNA). Można obecnie posta-
Od 1993 roku obiektem intesywnych badań w tej wić uprawnioną tezę, że wykryte w latach 90-tych u kil-
dziedzinie są chorobotwórcze szczepy Staphylococcus ku gatunków bakterii mechanizmy regulacji ekspresji
90 ADAM JAWORSKI, ANITA DOBROWOLSKA, PAWEA STCZEK
genów wirulencji przy udziale RNA mają znacznie które prawdopodobnie kontrolują aktywność różnych
ogólniejsze i szersze znaczenie niż to wówczas sądzo- genów docelowych [12]. Wiadomo już, że region 5
no. Obecnie wiadomo bowiem, że identyczne bądz RNAIII spełnia funkcję pozytywnego aktywatora trans-
bardzo podobne mechanizmy regulacji przy udziale lacji białka -hemolizyny w mechanizmie przedsta-
sRNA funkcjonują w komórkach wielu różnych gatun- wionym na rys. 1b. Wewnątrzcząsteczkowa struktura
ków bakterii jak: Escherichia coli, Listeria monocyto- mRNA hla blokuje miejsce wiązania dla rybosomów
genes, Yersinia pestis, Salmonella enterica, Rhizo- (SD) uniemożliwiając w ten sposób translację białka,
bium, Streptococcus pyogenes, Clostridium perfringens. zaś hybrydyzacja 5 regionu transkryptu RNAIII
W artykule przedstawione zostaną najnowsze dane z mRNA hla usuwa tę strukturalną zawadę i uwalniając
literatury na temat molekularnych podstaw struktural- sekwencję Shine-Delgarno (SD), umożliwia wydajną
nej i funkcjonalnej organizacji tych mechanizmów translację białka �-hemolizyny [42, 46]. Inną funkcję
w komórkach wybranych gatunków bakterii chorobo- biologiczną w komórkach S. aureus wypełnia region 3
twóczych oraz środowiskowych. Dyskutowane będzie omawianego transkryptu RNAIII, reprymując ekspresję
także pytanie, dlaczego w komórkach bakterii sRNA genu spa, który koduje syntezę białka wiążącego IgG
spełniają tak ważną rolę w regulacji ekspresji genów, (białko A). Sądzi się, że w tym przypadku RNAIII
skoro w procesie ewolucyjnego rozwoju świata bakterii działa na poziomie transkrypcji tego genu lub stabil-
zostały wykształcone inne, bardzo sprawne mechanizmy ności jego informacyjnego mRNA [12]. Co ciekawe,
regulacji aktywności genów na poziomie ich transkryp- fragment 5 transkryptu RNAIII koduje syntezę małego
cji, translacji oraz różnych, posttranslacyjnych mody- peptydu -hemolizyny, ale proces translacji tej hemo-
fikacji ich produktów białkowych. lizyny rozpoczyna się w komórkach z 1-godzinnym
opóznieniem. Za proces przejściowego hamowania
tej syntezy odpowiedzialny jest koniec 3 RNAIII,
2. Transkrypt z regulonu agr efektorem w którym powstaje struktura blokująca region odpo-
kontrolującym ekspresję genów wiedzialny za wiązanie rybosomów. Ekspresja RNAIII
wirulencji Staphylococcus aureus osiąga maksimum w póznej fazie logarytmicznego
wzrostu i na początku fazy stacjonarnej, kiedy to od-
Wiele znanych genów wirulecji S. aureus znajduje powiednio wysokie stężenie peptydowego autoinduk-
się pod kontrolą systemu regulatora AgrC/AgrA, przed- tora AIP fosforyluje białko sensorowe AgrC, które
stawinego na rys. 1a, którego składnikami są geny z kolei fosforyluje białko regulatorowe AgrA, wypeł-
transdukcji sygnałów (agrA i agrC) oraz geny odpowie- niające w komórkach S. aureus rolę bezpośredniego
dzialne, odpowiednio, za syntezę peptydu AIP (argD) aktywatora syntezy RNAIII (Rys. 1a) [11, 22, 43].
oraz sekrecję tego autoinduktora (argB). Synteza trans- Omawiane powyżej przykłady nie wyczerpują wszyst-
kryptu RNAIII, o wielkości 512 nukleotydów, jest ini- kich zidentyfikowanych sposobów aktywacji lub hamo-
cjowana z promotora P3, zlokalizowanego w agr locus wania ekspresji genów wirulencji S. aureus przy udzia-
powyżej genu argB. RNAIII jest produktem genu hld, le RNAIII. Sądzi się, że regulacja ta, raczej ma miejsce
który także koduje syntezę hemolizyny. RNAIII spełnia na poziomie transkrypcji tych genów, a ściślej mówiąc
w komórkach S. aureus rolę ważnego regulatora eks- na etapie inicjacji transkrypcji, a nie poprzez zmiany
presji genów, aktywując ekspresję białek sekrecyjnych stabilności informacyjnych mRNA. Możliwym jest, że
i równocześnie reprymując syntezę białek powierzch- RNAIII spełnia w komórce rolę antyrepresora, w wy-
niowych [27]. Niedawno opublikowane wyniki na niku bezpośredniego wiązania i unieczynniania okreś-
temat struktury przestrzennej tego rybonukleotydu lonych represorów genów wirulencji. Byłby to zatem
dowodzą, iż może on przyjmować 14 różnych konfor- bardzo interesujący, dotychczas nieznany, sposób regu-
macji przestrzennych typu szpilki do włosów (hairpin), lacji inicjacji transkrypcji tych genów z ich określonych
RNA II
RNA I
RNA III
512 nt
agrA agrC agrD agrB hld
Rys. 1a. Schemat organizacji systemu regulatora agr S. aureus
agrA i agrC, geny transdukcji sygnałów; agrB, gen odpowiedzialny za sekrecję AIP (autoinducible peptide); gen agrD koduje syntezę AIP,
zaś gen hld syntezę -hemolizyny
91
RNA KONTROLUJE AKTYWNOŚĆ WIELU WAŻNYCH GENÓW I PROCESÓW ŻYCIOWYCH W KOMÓRKACH BAKTERII
RNA III
( ) (+)
SD
hla
SD
Brak translacji Translacja
Rys. 1b. Struktura szpilki wytworzona w regionie 5 końca RNAIII S. aureus hamuje proces inicjacji translacji białka -hemolizyny
SD, sekwencja Shine-Delgarno; hla, mRNA -hemolizyny, rybosom. Struktura szpilki do włosów wytworzona w regionie mRNA hla hamuje
proces inicjacji syntezy białka, czyniąc sekwencje Shine-Delgarno niedostępną dla rybosomu. Przyłączenie końca 5 RNAIII do mRNA hla znosi
tę przestrzenną zawadę umożliwiając przyłączenie rybosomu do sekwencji SD i inicjację syntezy białka
promotorów [6]. Ostatnio doniesiono, że efektorem dla określonych genów wirulencji, natomiast RsmB chci-
ekspresji ważnego regulonu fas Streptococcus pyogenes wie wiążąc się z tym białkiem obniża jego pulę komór-
(geny: fibronektyny/białka wiążącego fibrynogen/hemo- kową, co w konsekwencji umożliwia wydajną syntezę
lizyny/streptokinazy), podobnie jak w przypadku wyżej wyżej wspomnianych czynników wirulencji E. caroto-
omawianego regulonu agr u S. aureus, jest niskocząs- vora. Zatem kontrola ekspresji omawianych czynni-
teczkowy RNA zwany RNA fasX, ale w tym przypadku ków wirulencji w tym przypadku w istocie sprowadza
nie podlegający procesowi translacji [29]. Podob- się do regulacji stężenia białka RsmA w komórkach
nie okazało się, że nie podlegający translacji RNA poprzez jego wiązanie do specyficznego RNA (RsmB ),
(VR-RNA, Vir-regulated-RNA), jako cząsteczka efek- zmodyfikowanego produktu genu rsmB.
torowa, reguluje aktywność genów wirulencji w komór- Omawiany system regulacji E. carotovora RsmA-
kach Clostridium perfringens. Dowiedziono, że w tym RsmB RNA jest częścią bardziej złożonego systemu
przypadku region 3 transkryptu VR-RNA jest zaanga- kontroli ekspresji zewnątrzkomórkowych czynników
żowany w wyżej wspomnianą regulację [54]. wirulencji, zwanego quorum sensing. Ekspresja ze-
wnątrzkomórkowych czynników wirulencji w przypad-
ku tego gatunku znacząco zwiększa się w chwili przejś-
3. RNA reguluje ekspresję genów wirulencji cia populacji z fazy logarytmicznego wzrostu w fazę
w komórkach patogena roślin stacjonarną, w odpowiedzi na akumulację w środowi-
Erwinia carotovora ssp. carotovora sku wzrostu wysokiego stężenia cząsteczek sygnało-
wych (lakton L-homoserynowy, OHL). Stąd, ekspresja
W regulacji ekspresji szeregu czynników wirulencji omawianego białka regulatorowego RsmA jest regulo-
w komórkach Erwinia carotovora, takich jak synteza wana na poziomie transkrypcji także stężeniem w śro-
enzymów pektynolitycznych, proteaz i celulaz, zaanga- dowisku wzrostu cząsteczek sygnałowych (OHL).
żowany jest system na który składa się białko RsmA Dowiedziono ostatnio, że transkrypcja genu rsmA
destabilizujące mRNA oraz RNA zwany RsmB , o dłu- E. carotovora wzmaga się w nieobecności omawia-
gości 259 nukleotydów. RsmB jest funkcjonalną czą- nych cząsteczek sygnałowych i jest hamowana wraz
steczką, pochodną RsmB, powstającą w komórkach po ze wzrostem ich stężenia pod koniec fazy logarytmicz-
obróbce końca 5 tego RNA przy udziale białka RsmA nego wzrostu i w fazie stacjonarnej [14]. Synteza
[34]. Mechanizm tej regulacji polega na tym, że odpo- RsmB RNA jest kontrolowana w komórkach omawia-
wiednio wysokie stężenie białka RsmA w komórkach nych bakterii na poziomie transkrypcji także przez inne
(produktu genu rsmA) prowadzi do degradacji mRNA regulatorowe cząsteczki, takie jak RsmC, KdgR i HexA
92 ADAM JAWORSKI, ANITA DOBROWOLSKA, PAWEA STCZEK
[16, 35, 44]. Dowodzi to, że regulacja czynników wi- na plazmidzie o wielkości 65 kpz, wchodzą w skład
rulencji E. carotovora jest niezwykle złożona, ale cen- operonu fat, którego aktywność podlega bardzo precy-
tralnym ogniwem tego mechanizmu są : specyficzny zyjnej regulacji przy udziale złożonego mechanizmu,
regulatorowy RNA (RsmB) oraz białko wiążące RNA którego ważnym elementem jest synteza antysensow-
(RsmA). Co niezwykle ciekawe i ważne, homologicz- nego RNA o długości 650 nukleotydów (rys. 2). Taka
ne systemy regulacji ekspresji czynników wirulencji precyzyjna regulacja omawianego systemu transportu
zostały odkryte i niedawno opisane dla patogenów żelaza jest konieczna także dlatego, że nadmiar żelaza
człowieka Pseudomonans aeruginosa, Salmonella en- indukowałby syntezę rodników tlenowych, których
terica sv. Typhimurium oraz Escherichia coli [1, 2, akumulacja prowadziłaby nieuchronnie do uszkodze-
48]. W komórkach E. coli analogiem białka RsmA E. nia materiału genetycznego oraz innych groznych
carotovora jest białko CsrA, które destabilizuje doce- uszkodzeń w komórkach bakterii. Jak przedstawiono
lowe mRNA, zaś analogiem RsmB RNA jest CsrB na rys. 2, przeciwdziałanie nadmiernej akumulacji że-
RNA, który wiąże wspomniane białko regulatorowe laza w komórkach Vibrio anguillarum jest zapewnio-
CsrA i w ten sposób przeciwdziała degradacji mRNA ne, z jednej strony, poprzez represję genów operonu
odpowiednich genów wirulencji [33]. Okazało się, że fatDCBA na poziomie ich wspólnego promotora Pfat,
mechanizm destabilizacji mRNA przez oba białka re- z drugiej zaś poprzez syntezę antysensowego RNA ,
gulatorowe (RsmA i CsrA) jest podobny i polega nie kodowanego przez gen fat B. Poziom antysensowego
na ich enzymatycznej aktywności RNA-azy, ale praw- RNA , wiążącego się z transkryptami genów fatA
dopodobnie na blokadzie sekwencji odpowiedzialnych i fatB, wzrasta w komórkach w warunkach ich wzrostu
za wiązanie rybosomów w docelowym mRNA [32, i rozwoju bakterii w środowisku bogatym w żelazo.
33]. Dokładne badania obu regulatorowych cząsteczek W konsekwencji wzrost stężenia RNA w komórkach
RNA (RsmB RNA i CsrB RNA) dowiodły, iż są one prowadzi do obniżenia poziomu transkrypcji genu fatA
filogenetycznie pokrewne nie tylko pod względem wy- oraz degradacji transkryptu genu fatB, co w rezultacie
pełnianej funkcji biologicznej, ale także struktury, bo- manifestuje się zahamowaniem syntezy białek odpo-
wiem w obu omawianych cząsteczkach 34 nukleoty- wiedzialnych za transport żelaza [50, 59, 60]. Wzrost
dowa, konserwatywna sekwencja, zlokalizowana na puli antysensowego RNA w komórkach jest rezulta-
końcu 5 , jest odpowiedzialna za wiązanie białek re- tem raczej bliżej nieznanego mechanizmu jego stabili-
gulatorowych RsmA i CsrA. zacji w warunkach wysokiego stężenia żelaza, niż in-
dukcji transkrypcji kodującego go genu fatB [15].
Transkrypcja całego operonu fat, a w tym genu fatB
4. RNA Vibrio anguillarum kontroluje kodującego syntezę antysensowego RNA , wymaga
system ekspresji białek odpowiedzialnych obecności białka Fur jako induktora, którego biolo-
za pobieranie żelaza giczna aktywność jest niezależna od stężenia żelaza.
Natomiast wzrost stężenia żelaza w środowisku wzro-
Wirulencja Vibrio anguillarum w dużym stopniu stu i rozwoju bakterii hamuje nie tylko ekspresję całe-
jest uzależniona od wydajnej ekspresji genów kodują- go operonu fatDCBA na poziomie jego transkrypcji,
cych syntezę białek systemu transportu żelaza ze śro- ale także syntezę białek FatA i FatB na poziomie ich
dowiska wzrostu bakterii. Geny te (fatDCBA), leżące translacji w wyniku działania antysensownego RNA .
fatD fatC fatB fatA
RNA
Pfat
fatDCBA mRNA
Rys. 2. Organizacja regionu fatDCBA i RNA Vibrio anguillarum Pfat, promotor wspólny dla genów operonu fatDCBA;
gen fatB koduje syntezę RNA (opis w tekście)
93
RNA KONTROLUJE AKTYWNOŚĆ WIELU WAŻNYCH GENÓW I PROCESÓW ŻYCIOWYCH W KOMÓRKACH BAKTERII
Z chwilą obniżenia stężenia żelaza zostaje odblokow- sekwencja Shine-Delgarno jest niedostępna dla ryboso-
na nie tylko transkrypcja omawianego operonu, ale tak- mu i nie może spełniać swojej funkcji w procesie trans-
że zmniejsza się stabilność antysensowego RNA , lacji. Ostatnio wykazano podobny mechanizm regulacji
czego końcowym efektem jest znaczące wzmożenie ekspresji genów wirulencji w komórkach Listeria mono-
syntezy białek odpowiedzialnych za transport żelaza. cytogenes [26]. Bakterie L. monocytogenes mają zdol-
ność wzrostu w bardzo szerokim zakresie temperatur
(5 45�C). Okazało się, że geny wirulencji podlegają
5. RNA reguluje ekspresję genów bakterii najsilniejszej ekspresji w temperaturze 37�C, a obni-
w odpowiedzi na zmiany temperatury żenie temperutury wzrostu do 30�C prowadzi do prak-
tycznie całkowitego wyciszenia tych genów. Wykazano
W ostatnich latach nagromadziło się w piśmiennic- niezbicie, że aktywatorem transkrypcji wiekszości zna-
twie sporo nowych danych, dotyczących zarówno mo- nych genów wirulencji L. monocytogenes jest białko
lekularnych mechanizmów regulacji ekspresji genów PrfA zbudowane z 233 aminokwasów, należące do ro-
wirulencji przez bakterie chorobotwórcze dla ludzi dziny białek Crp/Fn, aktywatorów transkrypcji. Stężę-
i zwierząt w odpowiedzi na zmiany temperatury wzro- nie tego białka w komórce jest bezpośrednio zależne
stu, jak i natury chemicznej bakteryjnych termosenso- od temperatury wzrostu hodowli. W temperaturze
rów oraz sposobów rozpoznawania przez nie zmian 30�C jego synteza jest zahamowana, pomimo że gen
temperatury w środowisku wzrostu i rozwoju tych bak- prfA podlega w tych warunkach procesowi wydajnej
terii. Od 1997 roku znane są przykłady regulacji ekspre- transkrypcji. Okazało się, że za ten rodzaj termoregu-
sji genów virF i tlpA u Salmonella enterica sv. Typhi- lacji odpowiedzialny jest koniec 5 mRNA genu prfA,
murium w odpowiedzi na zmiany temperatury [19, 24]. bowiem w tym regionie transkryptu, obejmującym se-
W pierwszym przypadku mechanizm tej regulacji kwencję Shine-Delgarno, tworzy się struktura prze-
polega na zmianie w odpowiednio wysokiej tempera- strzenna mRNA, stabilna w temperaturze 30�C, unie-
turze konformacji przestrzennej DNA w regionie pro- możliwiająca przyłączenie się rybosomu i syntezę
motora genu vir F, kontrolującego ekspresję genów polipeptydu. W temperaturze 37�C omawiana struktura
wirulencji na poziomie transkrypcji. Zmiana konfor- przestrzenna mRNA ulega destabilizacji, sekwencja
macji DNA w tym regionie uniemożliwia przyłączenie Shine-Delgarno może więc być bez przeszkód rozpo-
się do promotora genu białka represorowego, którym znana przez rybosom i w efekcie inicjowana jest wydaj-
w tym przypadku jest H-NS (histone-like nucleoid na synteza białka PrfA, aktywatora ekspresji genów wi-
structuring protein). W drugim przypadku wzrost tem- rulencji L. monocytogenes (Rys. 3). Mutacje punktowe
peratury w środowisku wzrostu bakterii wpływa na sto- genu prfA, uniemożliwiające tworzenie stabilnej struk-
pień multimeryzacji białka TlpA, co w konsekwencji tury przestrzennej mRNA w regionie jego końca 5 , po-
zmienia zdolność rozpoznawania przez to białko regu- zwalały na wydajną syntezę białka PrfA, co w efekcie
latorowe docelowych sekwencji w DNA. prowadziło do aktywacji genów wirulencji L. monocyto-
Okazało się, że funkcję sensorów zmian temperatu- genes nawet w temeraturach poniżej 30�C.
ry u bakterii (bakteryjnych termometrów) mogą spełniać Podobne mechanizmy kontroli ekspersji genów wy-
bardzo efektywnie, prawdopodobnie dość powszechnie, kryto również w komórkach Rhizobium i Streptomy-
specyficzne cząsteczki RNA. Co więcej, funkcję takich ces, gdzie synteza białek szoku cieplnego jest kontro-
sensorów spełniają struktury przestrzenne RNA, wraż- lowana poprzez tworzenie struktur przestrzennych
liwe na zmiany temperatury. Dla przykładu, 10 lat temu mRNA, które stanowią zawadę dla procesu translacji.
sugerowano, że translacja genu lcrF, kodującego syn- W tym przypadku w wytworzonej, stabilnej strukturze
tezę aktywatora transkrypcji wielu genów wirulencji mRNA, zostaje zablokowana zarówno sekwecja SD
Yersinia pestis, podlega termicznej kontroli [23]. Do- jak i kodon startu dla inicjacji procesu translacji [45,
konana analiza komputerowa końca 5 mRNA tego 52]. Podobny mechanizm kontroluje ekspresję pod-
32
genu dowiodła, że właśnie tutaj znajduje się sekwencja jednostki polimerazy RNA w komórkach E. coli,
Shine-Delgarno, a mechanizm tej regulacji polega na w których struktura przestrzenna mRNA genu rpoH,
tworzeniu w tym ważnym dla translacji regionie mRNA kodującego syntezę tej podjednostki, spełnia funkcję
drugorzędowej struktury pętli (hairpin structure), której biologicznego sensora zmian temperatury wzrostu
stabilność jest zależna od temperatury. Stabilność tej i rozwoju bakterii [57]. Wytworzenie stabilnej struktury
struktury zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury, w tym regionie transkryptu mRNA rpoH hamuje syn-
32
a więc w komórkach Y. pestis rosnących w temperatu- tezę białka podjednostki w temperaturze 30�C,
rze 37�C ekspresja białka LcrF jest znacznie wyższa a destabilizacja tej struktury w warunkach szoku ter-
niż w komórkach rosnących w temperaturach niższych micznego umożliwia wydajną syntezę tej podjednostki
(25 30�C), kiedy to struktura hairpin jest znacznie bar- polimerazy RNA, odpowiedzialnej za transkrypcję ge-
dziej stabilna, a w związku z tym leżąca w tym regionie nów zgrupowanych w regulonach szoku termicznego.
94 ADAM JAWORSKI, ANITA DOBROWOLSKA, PAWEA STCZEK
>30oC
<30oC
AUG AUG AUG
5 3 5 3 5 3
PrfA PrfA PrfA
Synteza PrfA
Indukcja czynników
wirulencji
Rys. 3. Model termoregulacji ekspresji czynników wirulencji Listeria monocytogenes
sekwencja Shine-Delgarno; PrfA, aktywator transkrypcji; AUG, kodon startu tranlacji; rybosom (opis w tekście)
W podsumowaniu tego rozdziału należy jedno- sokie stężenie tRNAtrp) i w tej formie rozpoznaje
znacznie stwierdzić, że w omawianej termoregulacji i wiąże się z sekwencją liderową traskryptu operonu tra
ekspresji genów u różnych gatunków bakterii funkcje (traL), rozpoznając w niej krótkie, powtórzone sekwen-
termosensora bakterii spełniają drugorzędowe struktury cje (G/U)AG. W konsekwencji w regionie końca 3
mRNA, których stabilność w żywej komórce zmienia liderowej części transkryptu dochodzi do wytworzenia
się wraz ze zmianami temperatury wzrostu bakterii. struktury szpilki, w której uczestniczy także sekwencja
Ważnym spostrzeżeniem jest to, że w ten sposób regu- Shine-Delgarno, co w konsekwencji blokuje proces syn-
lowane są geny wirulencji oraz szoku termicznego bak- tezy białka już na etapie pierwszego genu operonu trp
terii. W temperaturze 37 42�C następuje destabilizacja (trpE). Zatem sensorem zmian stężenia tryptofanu i jego
struktur przestrzennych w transkryptach tych genów, dostępności w formie tRNAtrp u bakterii B. subtilis
co w efekcie umożliwia wydajną syntezę tych białek jest wyspecjalizowane białko TRAP, a efektorem wy-
komórkowych, które umożliwiają przeżycie w warun- tworzona struktura przestrzenna w liderowej części
kach szoku cieplnego, albo ułatwiają inwazję patoge- transkryptu, która blokuje inicjację syntezy białek
nów i ich przeżycie w organizmie gospodarza. I odwrot- w obecności tryptofanu. Omówiony wyżej sposób
nie, obniżenie temperatury stabilizuje drugorzędową regulacji operonu trp B. subtilis na poziomie translacji
strukturę mRNA w komórce bakterii, co natychmiast jest zupełnie odmienny od dawna znanych mechaniz-
manifestuje się zahamowaniem syntezy aktywatorów mów regulacji tego operonu u E. coli i B. subtilis na
transkrypcji, a w efekcie zahamowaniem syntezy bia- poziomie transkrypcji w procesie atenuacji, kiedy
łek, które w tych warunkach są dla komórek bakterii to tworzona w obecności tryptofanu struktura prze-
zbędne. Panuje przekonanie, że podobne lub inne niż strzenna w sekwencji liderowej mRNAtrp spełnia rolę
u Yersinia i Listeria termosensory zostaną wkrótce od- terminatora transkrypcji [57].
kryte u innych chorobotwórczych gatunków bakterii.
Bardzo ciekawy, podobny mechanizm regulacji ak-
tywności genów na poziomie translacji genów opero- 6. Rola sRNA w regulacji ważnych
nu tryptofanu (trp) funkcjonuje w komórkach Bacillus procesów życiowych bakterii
subtilis, aczkolwiek nie w odpowiedzi na zmiany tem- z rodzaju Enterobacteriaceae
peratury, ale w odpowiedzi na obecność lub nieobec-
ność tryptofanu w środowisku wzrostu [9]. Mechanizm Do niedawna przyjmowano, iż jedynie typowe anty-
tej regulacji polega na tym, że specyficzne białko- sensowe RNA (antisense counter-transcribed RNAs;
TRAP (trp RNA-binding attenuation protein) podlega ctRNAs), kodowane przez komplementarne łańcuchy
w komórkach aktywacji w obecności tryptofanu (wy- DNA określonych genów, mogą spełniać w komórkach

Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
Golik Pochodzenie i ewolucja genomu mitochondrialnego (2009)
11 Jerzmanowski, Powstawanie, rodzaje i rola zmiennosci w ewolucji (2009)(1)
Amphioxus i ewolucja genomu strunowców
Amphioxus i ewolucja genomu strunowców
Rzym 5 w 12,14 CZY WIERZYSZ EWOLUCJI
Jaką wartość będzie miała zmienna
6 2 Zmienna losowa
Drożdżowiec
Faworki drożdżowe
Ewolucja Hedgehoga
09 funkcje zmiennej rzeczywistej 3 4 pochodna funkcji
zmiennesr
C w6 zmienne dynamiczne wskazniki funkcji
calki nieoznaczone funkcji jednej zmiennej
zmienne

więcej podobnych podstron