1、细菌内双组分信号转导 一、概念 二、双组分信号转导系统的组成 三、双组份信号转导对生物学活性的调控作用 四、双组分系统转导通路的研究方法 五、双组分系统研究过程 一、概念 1.信号转导 2.微生物信号转导 3.细菌双组分信号转导 信号转导 细胞或者识别与之相接触的细胞，或者识别周围环境中存在的各种化学和物理信号 并将其转变为细胞内各种分子活性的变化，从而改变细胞的某些代谢过程，影响细胞的生长速度，甚至诱导细胞凋亡，这种针对外源信息所发生的细胞应答反应全过程称为信号转导(signal transduction)。微生物信号转导 微生物是地球上最多变、适应性最强的有机体，尤其是细菌，能够在动植物无
2、法存活的环境生长。微生物拥有复杂而精密的信号系统来应对体内外环境变化，从而适应环境并得以生存。细菌双组分转导 1.双组分系统是广泛存在于原核和真核细胞中的信号转导系统，主要由组氨酸蛋白激酶（HPK）和响应调节蛋白（RR）两个组分组成。2.双组分系统信号通路一般包括信号的输入、HPK自身磷酸化、信号输出等环节。3.从细菌的角度，当它入侵宿主体内时，环境中各种营养物质的含量、温度、渗透压和PH值等都发生了改变，同时一些毒性物质也出现在其生存的环境中，因此，细菌为了生存，其必然拥有一套特有的对外部环境持续监控的信号系统，以检测环境中各种生理因素的改变，并据此迅速调节自身的结构和生理行为，达到适应新环
3、境和生存繁殖的目的。二、双组分信号传导系统的组成 双组分信号通路 HPK感受到外界环境信号后,使RR磷酸化,将外界信号传递到胞内.整个双组分信号通路由信号输入(input)、HPK自身磷酸化、RR磷酸化及输出（output)等环节构成 双组分信号转导系统的组成 经典的双组分信号传导系统由组氨酸激酶 histidine kinase，HPK又称为传感器激酶 和反应调控蛋白(response regulator，RR)组成。双组分系统只负责信号的输入、转导、输出。信号的识别和感受是由其他分子,如细胞表面受体或运输蛋白来完成,由它们再将信号传递到HPK。双组分信号传导系统的组成 组氨酸激酶 HPK
4、紧贴最外层跨膜部分，位于胞质内。是细菌感应各种环境变化必需的，通常是由两个单体组成的同源二聚体膜蛋白，每个单体含有一个可变 的传感器结构域 和一个保守的传递器结构域。其传感器结构域负责检测和编码输入信息。双组分信号传导系统的组成 组氨酸激酶的传递器结构域由N端DHp(二聚化组氨酸磷酸转移)结构域和C端CA(催化结合ATP)结构域组成。DHp结构域能形成一个稳定的二聚体结构，其上含有一个能发生自身磷酸化组氨酸位点；CA催化结构域由保守的N、G1、F和 G2盒组成，含有一个与ATP结合的基序。DHp和 CA结构域连接在一起，使ATP的磷酸基团转移到DHp上的组氨酸位点上，所有双组分系统的传递器结构
5、域都是保守的。双组分信号传导系统的组成 反应调控蛋白 RR 位于胞质内。是双组分信号转导系统 中的第二个组分，含有一个或多个保守的N端接受器结构域又称为输入结构域和可变的 C端效应器结构域又称为输出结构域。反应调控蛋白控制输出信息。双组分信号传导系统的组成 反应调节蛋白在其N端为接收器，大约具有120个保守性的氨基酸顺序和磷酸化位点。C端功能区具有DNA结合或其它调节功能,对其目标基因进行转录调控。接收器元件和输出功能区常由易弯曲的衔接物连接。双组分信号传导系统的组成 当外界或内部环境发生变化时，组氨酸激酶 的传感器结构域能够感应环境的刺激并迅速二聚化，导致催化 ATP依赖的特定的组氨酸残基自
6、我磷酸化，然后反应调控蛋白催化组氨酸的磷酸基团转移到它自身的天门冬氨酸残基上，反应调控蛋白的磷酸化激活效应器结构域，从而与下游基 因的启动子或蛋白作用，产生调控应答反应。双组分信号传导系统的组成 随着双组分系统的广泛研究,尤其是在真菌和高等植物中的研究,发现双组分系统远非只有两个组分,并且无论是信号的输入、还是转导或输出过程,都比原核的双组分系统复杂得多。因而,双组分系统呈现出多样化的特点。目前研究结果表明许多双组分系统含有额外的组成，即调节伴侣蛋白,作用是辅助磷酸酶的催化。三、双组份信号转导 对生物学活性的调控作用 1 在渗透信号传递过程中的作用 2 在细菌趋化过程中作用 双组分系统在渗透信
7、号传递过程中的作用 以大肠杆菌为例，一个细胞有410根鞭毛，鞭毛快速旋转使得细胞具有运动的能力。鞭毛的运动方式分为2种：（1）顺时针旋转(clockwise，CW)：当鞭毛顺时针旋转时，细胞鞭毛分开，原地做翻滚运动，来调整运动方向。这种方式成为翻滚。（图1-A)（2）逆时针旋转(counter-clockwise，CCW)：当鞭毛逆时针旋转时，鞭毛拧成一束，产生向前的推动力。这种方式称为泳动。（图1-B）在复杂的环境中，细菌不断地调整鞭毛的运动方式来趋利避害。趋化受体感知环境信号并引发刺激反应，刺激信号通过CheA（组氨酸激酶）和CheY（反应调节器）传递给鞭毛马达。CheA和CheY是双组分
8、调控系统家族的代表性成员，执行细菌中大多数的信号转导。组氨酸激酶CheA是细菌趋化性的重要元件，拥有CheA的微生物都具有趋化特性。CheA是唯一的组氨酸激酶能够被分为5个明显的作用区域 N-末端磷酸转移酶结构域(HPT)，YB 识别反应调节器区域，二聚体结构域（不同于其他组氨酸激酶），催化激酶区域(CA)，CheW结合区域(R)。和所有组氨酸激酶一样，CheA以二聚体的形式发挥作用，一个亚基的激酶区域使另一个亚基保守组氨酸磷酸化 趋化反应信号转导链RR蛋白是CheY。CheY 直接和鞭毛马达的转换蛋白FliM相互作用，引发旋转方式的改变。CheY一结合到CheA的YB区域，磷酰基基团从保守的
9、组氨酸传递给CheY保守的天冬氨酸。CheY的磷酸化导致构象的改变，从而导致对CheA 的吸引力下降，对马达蛋白FliM的吸引力增加。磷酸化的CheY从CheA上释放，与鞭毛马达蛋白结合，最终，趋化受体感知的环境信号被传递给了马达，使得微生物发生位移。组氨酸激酶CheA与甲基趋化受体MCP的细胞质信号区域由连接因子CheW连接，形成一个MCP-CheW-CheA三元复合体CheA蛋白是双组份调控系统中的传感激酶，在ATP存在的情况下可发生自我磷酸化，将磷酸基团转移给CheY，使CheY发生磷酸化 许多鞭毛马达旋转方向由细胞内CheY和CheY-P的比率来控制，鞭毛马达的逆时针和顺时针构象是以平
10、衡状态存在的。CheY-P与FliM和FliN（转动复合物的成分）结合，使鞭毛倾向于进行顺时针旋转。FliM和FliN上具有34个CheY-P结合位点，结合位点被占据的越多，鞭毛顺时针旋转相应地上升。最终调解运动方向 四、双组分系统 转导通路的研究方法 1.信号蛋白分子定位研究 免疫荧光技术（IF)、流式细胞免疫荧光技术FCM 2.信号蛋白分子表达水平及磷酸化检测 RT-PCR/Real-time PCR（mRNA水平）Western blot检测通路关键信号分子的表达（蛋白水平）磷酸化状态，蛋白质分子间的相互结合的技术 PhosphoELISA试剂盒（双抗体夹心）测蛋白质表达量或磷酸化状态
11、3检测通路相互作用蛋白 免疫共沉淀技术（Co-lP）荧光共振能量转移（FRET）4 关键信号分子基因沉默 抑制剂/siRNA/基因敲除动物 5 蛋白质与DNA相互作用 五、五、双组分系统研究过程 1986年，Ninfa和 Magasnik在研究大肠杆菌氮调节蛋白系统时，首次发现了双组分系统，用DNA序列鉴定了其基因。2005 年，Ulrich等对145种细菌基因组进行了测序，在此过程中他们发现了至少4000对双组分信号传导系统。革兰氏阳性革兰氏阳性菌菌 VicRK(YycFG)系统 1.VicRK(YycFG)最初发现于枯草芽孢杆菌中，称为YycFG。随后通过序列同源性查寻，发现该系统存在于少
12、数低G+C 含量的革兰氏阳性菌中，包括芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌和肺炎链球菌等致病菌（1999-2002），高度保守。2.VicRK(YycFG)大体上可以分成早期发现的以枯草芽孢杆菌为代表的YycFG一型和后来发现的以链球菌为代表的VicRK二型和链霉菌为代表的 MtrAB 三型。3.VicRK(YycFG)具有调控细胞壁合成与代谢、胞膜完整细胞分裂、脂类代谢、多糖合成与被膜形成以及细菌毒力等多种功能，参与细胞的生长、分裂与感染。该系统异常可导致细菌生活力严重下降，甚至死亡，因而成为防治该类病原菌的重要靶标（1998-2013）。4.由于VicRK(YycFG)中两组分功能与重要性不同，针对V
13、icRK(YycFG)的研究较少，更多集中在对VicRK(YycFG)抑制物的寻找。Watanabe 等从微生物的丙酮抽提物中筛查出 7种VicK(YycG)有效抑制剂，其中一种成分对枯草芽孢杆菌、金黄葡萄球菌作用明显（2003）;Furuta等采用针对组蛋白激酶同源二聚化的高通量遗传筛选系统，获得了一种能够特异性抑制金黄色葡萄球菌VicK(YycG)二聚化的化学成分（2005）；我国尹一兵等采用体外活性筛选的方法，也获得了一个抑制VicK(YycG)蛋白激酶功能域较高活性的小分子咪唑类衍生物（2009）。意义意义 1.细菌双组分系统是细菌的一种普遍而又很重要的信号传递系统，也是一个基因表达的调节系统。2.它的理论意义就在于阐明了细菌对环境变化做出反应的基本过程，为深化细菌行为、生态、生理生化研究奠定了基础。3.双组分系统在微生物和一些植物中广泛存在，而人类细胞主要采用丝氨酸 苏氨酸和酪氨酸激酶系统调节蛋白活性，哺乳动物中不含组氨酸激酶，因此如果找到双组分蛋白的抑制物，用以对抗微生物感染有重大意义。双组分系统有多个“靶 点”，如感应外界刺激的位点、激酶自主磷酸化位点和反应调控蛋白磷酸化位点等，探究双组分信号转导系统的机制，找到双组分蛋白反应的靶点，为更好地设计双组分系统的抑制物提供了条件。
