Аминокислотный контроль метаболизма и функции гуанозинтетрафосфата

Состав микробных клеток обнаруживает закономерные колебания в зависимости от скорости роста культуры. Когда бактериальная культура, растущая на одной среде, переносится в другую среду, обеспечивающую более быстрый рост, скорость образования РНК в клетках увеличивается уже через минуту и в течение последующего периода адаптации может даже превысить конечный уровень, который устанавливается затем на новой среде. Скорость синтеза белка увеличивается только после того, как повысится содержание рибосом в цитоплазме, т. е. синтезируется достаточное количество рибосомальной РНК (рРНК). С другой стороны, при переносе клеток с полноценной среды на минимальную или при лишении их какой-либо необходимой аминокислоты одновременно с замедлением скорости роста наблюдается резкое и преимущественное уменьшение синтеза стабильных типов РНК (рРНК и тРНК — транспортных РНК).

Механизм, координирующий процессы синтеза белка и нуклеиновых кислот, известен под наименованием строгого аминокислотного контроля синтеза РНК.

У Е. coliэтот механизм зависит от функции гена relA. У штаммов дикого типа, Rel⁺ (т. е. со строгим аминокислотным контролем синтеза РНК), лишение клеток необходимой им аминокислоты быстро останавливает не только синтез белка, но и дальнейшее образование РНК. Оказалось, что решающее значение имеет отсутствие в клетках полного комплекта аминоацил-тРНК, т. е. активированных аминокислот.

При аминокислотном голодании штаммов дикого типа кроме синтеза РНК подавляются также дыхание, образование некоторых продуктов гликолиза, синтез нуклеотидов и липидов, ингибируется включение различных экзогенных метаболитов, стимулируется протеолиз. Поскольку прямая блокада РНК-полимеразной реакции не приводит к такому множественному изменению метаболизма, это изменение, очевидно, не является следствием подавления синтеза РНК.

Было обнаружено, что в клетках штамма Е. coli дикого типа (Rel⁺) в отсутствие необходимой аминокислоты образуется два фосфорилированных соединения, которые в дальнейшем были идентифицированы как гуанозин-5'-дифосфат-3'-дифосфат (ффГфф) и гуанозин-5'-трифосфат-3'-дифосфат (фффГфф). В тех же условиях в клетках мутантов RelA^- накопления этих гуанозинполифосфатов не происходит.

Основной путь образования ффГфф в клетках Е. coli связан с функционированием рибосом. Когда в акцепторный участок (А-участок) рибосомы, транслирующей мРНК, попадает неацилированная тРНК, антикодон которой комплементарен кодону матрицы, это активирует связанный с рибосомой белковый фактор - фактор строгого контроля — продукт гена relA. Фактор строгого контроля представляет собой пирофосфаттрансферазу, которая катализирует перенос пирофосфорильной группы АТФ в З'-ОН группу рибозы ГТФ согласно реакции

ффф-5'-Г + ффф-5'-А®ффф-5'-Г-З'-фф + ф-5'-А

Таким образом, в клетке обычно сначала синтезируется фффГфф, из которого путем гидролиза образуется ффГфф.

При дефиците источника энергии подавляется деградация гуанозинтетрафосфата. Оказалось, что эта реакция энергозависима — она активируется АТФ, причем для активации необходим гидролиз АТФ. Замедление распада ффГфф можно вызвать разобщителем окислительного фосфорилирования — 2,4-динитрофенолом и ингибиторами транспорта электронов — цианидами и азидами.

Таким образом, увеличение концентрации ффГфф в клетках бактерий вызывается как ускорением его синтеза, так и замедлением его распада.

Одна из основных функций ффГфф состоит в регуляции транскрипции бактериального генома. Этот нуклеотид связывается с РНК-полимеразой и изменяет ее сродство к промоторам различных генов. В результате выражение одних генов уменьшается, а других — усиливается, соответственно строгий контроль выражения этих генов оказывается негативным или позитивным.

Прекращение синтеза рРНК при дефиците необходимых аминокислот было первым из известных в настоящее время проявлений строгого контроля клеточного метаболизма. На основании корреляции между синтезом рРНК и внутриклеточной концентрацией ффГфф М. Кейшел и Дж. Голлант предположили, что гуанозинтетрафосфат является негативным регулятором транскрипции генов рРНК.

Биологический смысл подавления синтеза рРНК при дефиците аминоацил-тРНК стал понятен, когда выяснилось, что синтез тРНК, рибосомных белков и факторов элонгации трансляции также находится под строгим контролем.

Таким образом, при дефиците аминоацил-тРНК рибосомы клеток Е. coli вместо синтеза белка вовлекаются в интенсивный синтез ффГфф. Этот нуклеотид регулирует образование компонентов белоксинтёзирующего аппарата в соответствии с наличием субстрата — аминоацил-тРНК.

В опытах in vitro было установлено, что ффГфф стимулирует выражение триптофанового, гистидинового, изолейцин, валинового, треонинового и других аминокислотных оперонов. Причем в ряде случаев показано, что этот нуклеотид активирует транскрипцию, но не влияет на трансляцию мРНК. Таким образом, ффГфф следует рассматривать в качестве позитивного регулятора выражения аминокислотных оперонов.

От внутриклеточного содержания гуанозинтетрафосфата зависит не только новообразование, но и активность ферментных систем. Показано, что ффГфф угнетает ИМФ -дегидрогеназу и аденилсукцинатсинтетазу — первые ферменты путей биосинтеза нуклеотидов гуанина и аденина из общего предшественника — инозинмонофосфата.

Под негативным контролем гуанозинтетрафосфата находится синтез важнейших компонентов клеточной мембраны и клеточной стенки: фосфолипидов, липополисахаридов и пептидогликана. В ряде случаев прямо показано, что ффГфф подавляет активность соответствующих ферментов.

Изменение структуры клеточной стенки и клеточных мембран может, в свою очередь, влиять на функционирование целого ряда транспортных систем и протекание других процессов которые сами по себе могут быть не чувствительны к ффГфф. Существует целый ряд данных, свидетельствующих о том, что во время дефицита аминоацил-тРНК изменяется способность одних соединений проникать внутрь клеток, а других — выходить наружу.

Важной особенностью метаболизма бактерий при дефиците аминокислот является изменение скорости распада клеточных белков. У штаммов Е. coli дикого типа (RelA+) скорость протеолиза в этих условиях коррелирует с содержанием ффГфф в клетках и снижается одновременно с уменьшением концентрации гуанозинтетрафосфата. В RelA- -клетках скорость протеолиза не меняется.

В процессе селекции и конструирования штаммов — продуцентов биологически активных соединений — необходимо учитывать роль гуанозинполифосфатов в регуляции метаболизма. Стимулирующее действие ффГфф на экспрессию аминокислотных оперонов проявляется в позитивном влиянии дикого аллеля гена relA на сверхсинтез аминокислот, в частности треонина у Е. coli. С другой стороны, можно ожидать, что пуриновые нуклеотиды и их производные, синтез которых подавляется гуанозинтетрафосфатом, будут более эффективно продуцироваться мутантами RelA~.

При получении штаммов — продуцентов чужеродных белков — большое значение имеет подавление протеолиза, который стимулируется ффГфф. Поэтому генетические факторы и физиологические условия, ограничивающие накопление этого нуклеотида, будут стабилизировать чужеродные полипептиды и повышать их выход.

Многие биологически активные вещества, которые относятся к числу так называемых вторичных метаболитов, образуются при истощении основных питательных компонентов среды, т. е. в условиях, повышающих концентрацию в клетках нуклеозидполифосфатов. Поэтому детальное изучение механизма действия этих соединений и генетического контроля их биосинтеза и распада представляет большой интерес для селекции соответствующих продуцентов.

Дата добавления: 2015-07-07