7.21B: Sistemas Regulatorios de Dos Componentes

Los sistemas de dos componentes acoplan un mecanismo para permitir que los organismos perciban y respondan a los cambios en muchas condiciones ambientales diferentes.

OBJETIVOS DE APRENDIZAJE

Describir la estructura y función de un sistema regulador bacteriano de dos componentes

Claves para llevar

Puntos Clave

• Los sistemas de transducción de señales de dos componentes permiten que las bacterias detecten, respondan y se adapten a una amplia gama de entornos, factores estresantes y condiciones de crecimiento.
• La transducción de señales puede ocurrir a través de la transferencia de grupos fosforilo de adenosina trifosfato (ATP) a un residuo específico de histidina en las histidina quinasas (HK).
• Una variante del sistema de dos componentes es el sistema fosfo-relay.

Términos Clave

• Sistemas de dos componentes: Los sistemas de dos componentes sirven como un mecanismo básico de acoplamiento de estímulo y respuesta para permitir que los organismos perciban y respondan a los cambios en muchas condiciones ambientales diferentes. Por lo general, consisten en una histidina quinasa unida a membrana que detecta un estímulo ambiental específico y un regulador de respuesta correspondiente que media la respuesta celular, principalmente a través de la expresión diferencial de genes diana.
• Transducción de señales: La transducción de señales ocurre cuando una molécula de señalización extracelular activa un receptor de superficie celular. A su vez, este receptor altera las moléculas intracelulares creando una respuesta.
• histidina quinasa: Las histidina quinasas (HK) son proteínas multifuncionales, típicamente transmembrana, de la clase transferasa que desempeñan un papel en la transducción de señales a través de la membrana celular.

Sistemas de dos componentes

En biología molecular, los sistemas de dos componentes sirven como un mecanismo básico de acoplamiento de estímulo-respuesta que permite a los organismos detectar y responder a los cambios en muchas condiciones ambientales diferentes. Por lo general, consisten en una histidina quinasa unida a membrana que detecta un estímulo ambiental específico y un regulador de respuesta correspondiente que media la respuesta celular. Los sistemas de señalización de dos componentes están ampliamente presentes en procariotas, mientras que solo unos pocos sistemas de dos componentes han sido identificados en organismos eucariotas.

La transducción de señales se produce a través de la transferencia de grupos fosforilo de trifosfato de adenosina (ATP) a un residuo específico de histidina en las histidina quinasas (HK). Esta es una reacción de autofosforilación. Posteriormente, la histidina quinasa cataliza la transferencia del grupo fosfato en los residuos de histidina fosforilados a un residuo de ácido aspártico en el regulador de respuesta (RR). La fosforilación hace que la conformación del regulador de respuesta cambie, generalmente activando un dominio de salida unido, lo que luego conduce a la estimulación (o represión) de la expresión de genes diana. El nivel de fosforilación del regulador de respuesta controla su actividad. Algunos HK son bifuncionales, catalizando tanto la fosforilación como la desfosforilación de su RR afín. Los estímulos de entrada pueden regular la actividad quinasa o fosfatasa de la HK bifuncional.

Figura: Transducción de señales: visión general de las principales vías de transducción de señales.

Los sistemas de transducción de señales de dos componentes permiten a las bacterias detectar, responder y adaptarse a una amplia gama de entornos, factores estresantes y condiciones de crecimiento. Algunas bacterias pueden contener hasta 200 sistemas de dos componentes que necesitan una regulación ajustada para evitar interferencias no deseadas. Estas vías se han adaptado para responder a una amplia variedad de estímulos, incluyendo nutrientes, estado redox celular, cambios en la osmolaridad, señales de quórum, antibióticos, temperatura, quimioatrayentes, pH y más. En E. coli el sistema de osmorregulación envz/ompR controla la expresión diferencial de las proteínas porinas de membrana externa OmpF y OmpC. Las proteínas KdpD sensor quinasa regulan el operón KDPFab responsable del transporte de potasio en bacterias incluyendo E. coli y Clostridium acetobutylicum. El dominio N-terminal de esta proteína forma parte de la región citoplasmática de la proteína, que puede ser el dominio sensor responsable de detectar la presión de la turgencia.

Variantes del sistema

Una variante del sistema de dos componentes es el sistema fosfo-relay. Aquí un híbrido HK autofosforila y luego transfiere el grupo fosforilo a un dominio receptor interno, en lugar de a una proteína RR separada. El grupo fosforilo se transporta luego a histidina fosfotransferasa (HPT) y posteriormente a un RR terminal, lo que puede evocar la respuesta deseada.

Las histidina quinasas transductoras de señales son los elementos clave en los sistemas de transducción de señales de dos componentes. Ejemplos de histidina quinasas son EnVZ, que juega un papel central en la osmorregulación, y ChEA, que juega un papel central en el sistema de quimiotaxis. Las histidina quinasas suelen tener un dominio de unión a ligando N-terminal y un dominio quinasa C-terminal, pero también pueden estar presentes otros dominios. El dominio quinasa es responsable de la autofosforilación de la histidina con ATP, la fosfotransferencia de la quinasa a un aspartato del regulador de respuesta, y (con enzimas bifuncionales) la fosfotransferencia del fosfato de aspartilo de nuevo a ADP o al agua. El núcleo de quinasa tiene un pliegue único, distinto del de la superfamilia de quinasas Ser/Thr/Tyr.

Las HK se pueden dividir aproximadamente en dos clases: quinasas ortodoxas e híbridas. La mayoría de las HKs ortodoxas, tipificadas por la proteína EnVZ de Escherichia coli, funcionan como receptores de membrana periplásmica y tienen un péptido señal y segmento (s) transmembrana que separan la proteína en un dominio de detección periplásmico N-terminal y un núcleo de quinasa C-terminal citoplásmica altamente conservado. Los miembros de esta familia, sin embargo, tienen un dominio sensor de membrana integral. No todas las quinasas ortodoxas están unidas a la membrana, por ejemplo, la quinasa reguladora de nitrógeno NtrB (GlnL) es una HK citoplasmática soluble. Las quinasas híbridas contienen múltiples sitios fosfodonadores y fosfoaceptores y utilizan esquemas de fosfo-relé de múltiples etapas en lugar de promover una sola transferencia de fosforilo. Además del dominio sensor y el núcleo de quinasa, contienen un dominio receptor tipo Chey y un dominio de fosfotransferencia que contiene His (hPT).

El Hpr Serina/treonina quinasa PtsK es el sensor en un sistema de fosforelé multicomponente en el control de la represión catabólica de carbono en bacterias. Esta quinasa es inusual ya que reconoce la estructura terciaria de su diana y es miembro de una familia novedosa no relacionada con ninguna enzima fosforilante de proteínas previamente descrita. El análisis de rayos X de la enzima cristalina de longitud completa de Staphylococcus xylosus a una resolución de 1.95 A muestra que la enzima consiste en dos dominios claramente separados que se ensamblan en una estructura hexamérica que se asemeja a una hélice de tres palas. Las cuchillas están formadas por dos dominios N-terminales cada uno, y el concentrador central compacto ensambla los dominios quinasa C-terminales.