Русская Википедия:Система токсин-антитоксин

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Файл:Toxin-antitoxin inheritance.png
(A) Вертикальный перенос генов системы токсин-антитоксин. (B) Горизонтальный перенос генов системы токсин-антитоксин. PSK — постсегрегационное убийство, а TA — локусы, кодирующие токсин и антитоксин[1].

Систе́ма токси́н-антитокси́н (Шаблон:Lang-en) — набор двух и более тесно связанных генов, которые в совокупности кодируют и белок-«яд», и соответствующее ему «противоядие». Когда такая система локализована на плазмиде (автономном генетическом элементе), то в результате деления исходной клетки, содержащей плазмиду, дочерняя клетка выживет только в том случае, если унаследует плазмиду. Если дочерняя клетка лишена плазмиды, то нестабильный антитоксин, унаследованный с цитоплазмой матери, разрушается, а стабильный токсичный белок убивает клетку; это явление получило название «постсегрегационное убийство» (Шаблон:Lang-en)[2][3]. Системы токсин-антитоксин широко распространены среди прокариот, и зачастую один прокариотический организм содержит множество копий таких систем[4][5].

Системы токсин-антитоксин обычно классифицируют по тому, как антитоксин нейтрализует токсин. В случае систем токсин-антитоксин I типа трансляция мРНК, кодирующей токсин, подавляется при связывании с ней малой некодирующей РНК, служащей антитоксином. В случае систем II типа белок-токсин ингибируется посттрансляционно путём связывания с другим белком — антитоксином. Известен один пример систем III типа, в которых белок-токсин непосредственно связывается с РНК-антитоксином[6]. Гены, кодирующие токсин-антитоксин, часто передаются от организма к организму путём горизонтального переноса генов[7]. Нередко они ассоциированы с патогенными бактериями и нередко локализуются на плазмидах, несущих гены вирулентности и устойчивости к антибиотикам[1].

Существуют и хромосомные системы токсин-антитоксин, некоторые из них участвуют в таких клеточных процессах, как ответ на стресс, остановка клеточного цикла и программируемая клеточная смерть[1][8]. С точки зрения эволюции системы токсин-антитоксин могут рассматриваться как Шаблон:Нп5, то есть целью этих систем является увеличение собственной численности вне зависимости от того, принесут они организму-хозяину пользу или вред. Были предложены адаптивные теории, объясняющие эволюцию систем токсин-антитоксин; например, возможно, что хромосомные системы токсин-антитоксин появились для того, чтобы предотвращать наследование крупных делеций в хозяйском геноме[9]. Системы токсин-антитоксин нашли применение в биотехнологии, например, в методе поддержания плазмид в клеточных линиях. Они могут служить мишенями антибиотиков и использоваться как векторы для положительного отбора[10].

Эволюционные преимущества

Плазмиды, содержащие системы токсин-антитоксин, рассматриваются как пример эгоистичной ДНК в рамках Шаблон:Нп5 (Шаблон:Lang-en). Считается, что системы токсин-антитоксин могут только поддерживать собственную ДНК, даже в ущерб организму-хозяину[1]. Согласно другим теориям, эти системы повышают приспособленность несущих их плазмид по сравнению с обычными плазмидами[11]. В этом случае системы токсин-антитоксин помогают хозяйской ДНК, избавляя потомство клетки от других плазмид (система токсин-антитоксин, локализованная на плазмиде, приводит к гибели клеток, не унаследовавших при делении этой плазмиды, поэтому, если клетка погибает, то и содержащиеся в ней плазмиды элиминируются). Это представление подкрепляется данными компьютерного моделирования[12]. Впрочем, оно не объясняет присутствие систем токсин-антитоксин на хромосомах.

Файл:S meliloti strain 1021 TA map.png
Карта хромосомы Шаблон:Нп5, показаны 25 систем токсин-антитоксин, расположенные на ней. Оранжевым цветом указаны системы, существование которых точно установлено[13], а зелёным цветом отмечены предполагаемые системы[14]

Существует ряд адаптивных теорий, объясняющих эволюционное преимущество хромосомных систем токсин-антитоксин перед естественным отбором. Простейшее объяснение существования таких систем на хромосомах заключается в том, что они предотвращают появление опасных крупных делеций в геноме клетки[9]. Токсин-антитоксиновый локус MazEF Escherichia coli и других бактерий индуцирует программируемую гибель клетки в ответ на длительное голодание, особенно на отсутствие аминокислот[15]. Содержимое погибшей клетки абсорбируется соседними клетками, то есть, возможно, предотвращает смерть близких родственников погибшей клетки и тем самым увеличивает Шаблон:Нп5 погибшей клетки. Такой пример альтруизма сближает бактериальные колонии с многоклеточными организмами[12].

Согласно другой теории, хромосомные системы токсин-антитоксин являются Шаблон:Нп5, но не бактерицидными[16]. Например, RelE глобально ингибирует трансляцию в условиях нехватки питательных веществ, и его экспрессия снижает риск голодания, уменьшая потребности клетки в питательных веществах[17]. Гомолог токсина mazF, mazF-mx, необходим для образования плодовых тел у Myxococcus xanthus[18]. Эти бактерии образуют густые скопления, и при недостатке питательных веществ группа из 50000 клеток собирается в плодовое тело[19]. Токсин maxF-mx является компонентом пути ответа на стресс, обусловленный недостатком питательных веществ, и даёт возможность некоторым клеткам плодового тела образовать миксоспоры. Было высказано предположение, что M. xanthus «поработил» систему токсин-антитоксин и взял антитоксин под собственный молекулярный контроль для регуляции своего жизненного цикла[18].

Было высказано предположение, что хромосомные копии систем токсин-антитоксин могут обеспечивать Шаблон:Нп5, то есть помогают исключить плазмиду из потомства клетки, не подвергая её воздействию токсина. Например, в геноме Шаблон:Нп5 закодирован антитоксин, который противодействует токсину, кодируемому F-плазмидой[20].

Было предложено девять возможных функций систем токсин-антитоксин[21]:

  1. Клеточный «мусор»: системы токсин-антитоксин были заимствованы от плазмид и оставлены в клетках из-за развившегося привыкания к их токсинам.
  2. Стабилизация геномных паразитов (остатков от транспозонов и бактериофагов). Наличие систем токсин-антитоксин на этих элементах может приносить им выгоду, снижая возможность их делеций. Многие хромосомные системы токсин-антитоксин при ближайшем рассмотрении могут в действительности принадлежать встроенным в геном паразитическим элементам или их остаткам.
  3. Эгоистичные аллели: в ходе рекомбинации аллели, не вызывающие привыкания, не могут заместить аллели, вызывающие привыкание, однако противоположная замена возможна.
  4. Регуляция генов: некоторые токсины действуют как общие репрессоры экспрессии генов[22], в то время как другие более специфичны[23].
  5. Контроль роста: как отмечалось, бактериостатические токсины не убивают клетку-хозяина, а ограничивают её рост[16].
  6. Устойчивые клетки: в некоторых популяциях бактерий имеется субпопуляция клеток, обладающая устойчивостью ко множеству антибиотиков, контролируемой системами токсин-антитоксин. Эти медленнорастущие выносливые клетки страхуют популяцию от полного вымирания[24].
  7. Программируемая гибель клетки и выживание её близких родственников, как в описанном выше примере альтруизма, обусловленного MazEF (см. выше).
  8. Различный уровень устойчивости клеток популяции к стрессовым условиям, обусловливающий программируемую гибель некоторых клеток, которая предотвращает вымирание всей популяции.
  9. Противодействие бактериофагам: когда бактериофаг нарушает транскрипцию и трансляцию клеточных белков, активация систем токсин-антитоксин ограничивает репликацию фага[25][26].

Впрочем, эксперимент, в котором из клеток штамма E. coli были удалены пять систем токсин-антитоксин, не дал никаких доказательств в пользу существования преимуществ, которые системы токсин-антитоксин дают клетке-хозяину. Эти результаты заставляют усомниться в гипотезах контроля роста и программируемой клеточной гибели[27].

Классификация

Тип I

Файл:Hok-Sok Degradation.png
Система hok/sok (I тип систем токсин-антитоксин)

Действие систем токсин-антитоксин I типа обусловлено комплементарным спариванием оснований РНК-антитоксина с мРНК, кодирующей белок-токсин. Трансляция этой мРНК подавляется или из-за разрушения РНКазой III, или из-за уменьшения доступности последовательности Шайна — Дальгарно или Шаблон:Нп5. В этих случаях токсин и антитоксин нередко кодируются противоположными цепями ДНК. Перекрывающийся участок этих двух генов (обычно его длина составляет 19—23 нуклеотида) обусловливает их комплементарное спаривание[28].

Токсины в системах I типа представлены небольшими гидрофобными белками, токсичность которых обусловлена их способностью разрушать мембраны клетки[1]. Лишь для немногих токсинов систем I типа были определены внутриклеточные мишени, возможно, из-за сложностей, связанных с изучением белков, токсичных для содержащих их клеток[8].

Иногда системы I типа включают и третий компонент. В случае хорошо изученной системы hok/sok, кроме токсина hok и антитоксина sok, имеется третий ген, названный mok. Он практически целиком перекрывается с геном, кодирующим токсин, и трансляция токсина зависит от трансляции этого третьего компонента[3]. По этой причине представление о связывании токсина с антитоксином в некоторых случаях является упрощением, и антитоксин на самом деле связывается с третьей РНК, которая уже потом действует на трансляцию токсина[28].

Примеры систем

Токсин Антитоксин Комментарий Источник
Hok Sok Первая известная и наиболее хорошо изученная система I типа, которая стабилизирует плазмиды у ряда грамотрицательных бактерий [28]
Шаблон:Нп5 RNAII Первая система I типа, идентифицированная у грамположительной бактерии, обнаружена у энтерококка [29]
Шаблон:Нп5 IstR Отвечает на повреждения ДНК [30]
Шаблон:Нп5 RdlD Хромосомная система, обнаружена у энтеробактерий [31]
Шаблон:Нп5 FlmB Гомолог hok/sok, который также стабилизирует F-плазмиду [32]
Ibs Шаблон:Нп5 Изначально был назван QUAD-РНК. Открыт в Шаблон:Нп5 E. coli [33]
Шаблон:Нп5 RatA Обеспечивает наследованиеskin-элемента при споруляции уBacillus subtilis [34]
Шаблон:Нп5 SymR Хромосомная система, индуцируемая при SOS-ответе [5]
XCV2162 Шаблон:Нп5 Идентифицирована у Шаблон:Нп5 и встречается у филогенетически разнородных организмов. [35]

Тип II

Файл:Typical TA sys.png
Устройство генов в типичном локусе системы токсин-антитоксин II типа[14]

Системы типа II изучены лучше систем типа I[28]. В этих системах неустойчивый белок-антитоксин прочно связывается со стабильным токсином и подавляет его активность[8]. Крупнейшее семейство систем этого типа — Шаблон:Нп5[36], и методами биоинформатики было установлено, что от 37 до 42 % систем II типа относятся к этому семейству[13][14].

Системы типа II, как правило, организованы в опероны, причём ген, кодирующий антитоксин, обычно располагается выше гена, кодирующего токсин. Антитоксин подавляет токсин, отрицательно регулируя его экспрессию. Токсин и антитоксин, как правило, имеют длину около 100 аминокислотных остатков[28]. Вредоносность токсина может быть обусловлена несколькими свойствами. Белок CcdB, например, нарушает работу ДНК-топоизомераз Шаблон:Нп5 и ДНК-гиразы[37], а белок MazF является опасной эндорибонуклеазой, которая разрезает клеточные мРНК по специфическим мотивам[38]. Наиболее часто токсины являются эндонуклеазами, которые также известны как интерферазы[39][40].

Иногда в системах токсин-антитоксин II типа появляется третий белок[41]. В случае вышеупомянутой системы MazEF имеется дополнительный регуляторный белок — MazG. Он взаимодействует с ГТФазой Era E. coli и характеризуется как нуклеозидтрифосфатпирофосфатгидролаза[42], которая гидролизует нуклеозидтрифосфаты до монофосфатов. Дальнейшие исследования показали, что MazG транскрибируется в ту же полицистронную РНК, что и MazE и MazF, и MazG связывается с токсином MazF, дополнительно ингибируя его активность[43].

Примеры систем

Токсин Антитоксин Комментарий Источник
Шаблон:Нп5 CcdA Располагается в F-плазмиде E. coli [37]
Шаблон:Нп5 ParD Имеется во множестве копий у Шаблон:Нп5 [44]
MazF MazE Встречается на хромосоме E. coli и других бактерий [25]
yafO yafN Система индуцируется SOS-ответом на повреждение ДНК у E. coli [41]
HicA HicB Обнаружена у архей и бактерий [45]
Kid Kis Стабилизирует плазмиду Шаблон:Нп5; родственна системе CcdB/A [16]

Тип III

Шаблон:Infobox protein family Системы токсин-антитоксин III типа полагаются на непосредственное взаимодействие белка-токсина и РНК-антитоксина. Токсичные эффекты белка нейтрализуются непосредственно РНК[6]. Единственным известным на данный момент примером является система ToxIN, найденная у патогенной для растений бактерии Шаблон:Нп5. Белок-токсин ToxN имеет длину около 170 аминокислотных остатков и токсичен для E. coli. Его ядовитость подавляется РНК ToxI, которая содержит 5,5 тандемных повторов мотива из 36 нуклеотидов (AGGTGATTTGCTACCTTTAAGTGCAGCTAGAAATTC)[46][47]. Кристаллографический анализ ToxIN показал, что для ингибирования ToxN необходимо образование тримерного комплекса ToxIN, в котором три мономера связаны с тремя мономерами ToxN. Комплекс удерживается за счёт множественных РНК-белковых взаимодействий[48].

Биотехнологическое применение

Биотехнологическое применение систем токсин-антитоксин начали несколько биотехнологических компаний[10][16]. Системы токсин-антитоксин используются в основном для поддержания плазмид в больших культурах клеток бактерий. В эксперименте, проверяющем эффективность локуса hok/sok, было показано, что вставленная плазмида, экспрессирующая бета-галактозидазу, сохраняла в 8—22 раза большую стабильность при клеточных делениях, чем в контрольной культуре, лишённой системы токсин-антитоксин[49][50]. В широко использующихся микробиологических процессах, например, брожении, те дочерние клетки, которые не унаследовали плазмиду, имеют большую приспособленность по сравнению с клетками, содержащими плазмиды, и в конце концов лишённые плазмид клетки могут полностью вытеснить ценные промышленные микроорганизмы. Таким образом, системы токсин-антитоксин, помогающие поддерживать важные плазмиды, способствуют поддержанию эффективности промышленных процессов[10].

Кроме того, системы токсин-антитоксин в будущем могут стать мишенями антибиотиков. Индукция молекул, губительных для патогенов, может помочь преодолеть всё возрастающую проблему множественной лекарственной устойчивости[51].

Отбор плазмид, содержащих Шаблон:Нп5, является широко распространённой проблемой при клонировании ДНК. Системы токсин-антитоксин могут использоваться для положительного отбора лишь тех клеток, которые содержат плазмиду с интересующей исследователя вставкой, отбрасывая те клетки, которые не содержат вставленного гена. Например, в плазмидные векторы вставляют ген CcdB, кодирующий токсин[52]. Интересующий ген затем вступает в рекомбинацию с геном CcdB, инактивируя транскрипцию токсичного белка. Поэтому трансформированные клетки, содержащие плазмиду, но не вставку, погибают из-за токсичных свойств белка CcdB, и выживают только те клетки, которые имеют плазмиду со вставкой[10].

Возможно использование также и токсина CcdB, и антитоксина CcdA. CcdB находится в рекомбинатном геноме бактерии, а инактивированная версия CcdA вставляется в линейный плазмидный вектор. К интересующему гену пришивается короткая последовательность, которая активирует ген антитоксина при его вставке в это место. С помощью этого метода можно получить направленно-специфичную вставку гена[52].

Примечания

Шаблон:Примечания

Литература

Ссылки

Шаблон:Хорошая статья

Партнерские ресурсы
Криптовалюты
Магазины
Хостинг
Разное

  1. ↑ 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 Шаблон:Cite pmid
  2. ↑ Шаблон:Cite pmid
  3. ↑ 3,0 3,1 Шаблон:Cite pmid
  4. ↑ Шаблон:Cite pmid
  5. ↑ 5,0 5,1 Шаблон:Cite pmid
  6. ↑ 6,0 6,1 Шаблон:Cite pmid
  7. ↑ Шаблон:Cite pmid
  8. ↑ 8,0 8,1 8,2 Шаблон:Cite pmid
  9. ↑ 9,0 9,1 Шаблон:Cite pmid
  10. ↑ 10,0 10,1 10,2 10,3 Шаблон:Cite pmid
  11. ↑ Шаблон:Cite pmid
  12. ↑ 12,0 12,1 Шаблон:Cite pmid
  13. ↑ 13,0 13,1 Шаблон:Cite pmid
  14. ↑ 14,0 14,1 14,2 Шаблон:Cite pmid
  15. ↑ Шаблон:Cite pmid
  16. ↑ 16,0 16,1 16,2 16,3 Шаблон:Cite pmid
  17. ↑ Шаблон:Cite pmid
  18. ↑ 18,0 18,1 Шаблон:Cite pmid
  19. ↑ Шаблон:Cite pmid
  20. ↑ Шаблон:Cite pmid
  21. ↑ Шаблон:Cite pmid
  22. ↑ Шаблон:Cite pmid
  23. ↑ Шаблон:Cite pmid
  24. ↑ Шаблон:Cite pmid
  25. ↑ 25,0 25,1 Шаблон:Cite pmid
  26. ↑ Шаблон:Cite pmid
  27. ↑ Шаблон:Cite pmid
  28. ↑ 28,0 28,1 28,2 28,3 28,4 Шаблон:Cite pmid
  29. ↑ Шаблон:Cite pmid
  30. ↑ Шаблон:Cite pmid
  31. ↑ Шаблон:Cite pmid
  32. ↑ Шаблон:Cite pmid
  33. ↑ Шаблон:Cite pmid
  34. ↑ Шаблон:Cite pmid
  35. ↑ Шаблон:Cite pmid
  36. ↑ Шаблон:Cite pmid
  37. ↑ 37,0 37,1 Шаблон:Cite pmid
  38. ↑ Шаблон:Cite pmid
  39. ↑ Шаблон:Cite pmid
  40. ↑ Шаблон:Cite pmid
  41. ↑ 41,0 41,1 Шаблон:Cite pmid
  42. ↑ Шаблон:Cite pmid
  43. ↑ Шаблон:Cite pmid
  44. ↑ Шаблон:Cite pmid
  45. ↑ Шаблон:Cite pmid
  46. ↑ Шаблон:Cite pmid
  47. ↑ Шаблон:Cite pmid
  48. ↑ Шаблон:Cite pmid
  49. ↑ Шаблон:Cite pmid
  50. ↑ Шаблон:Cite pmid
  51. ↑ Шаблон:Cite pmid
  52. ↑ 52,0 52,1 Шаблон:Cite pmid
Источник — http://wikihandbk.com/ruwiki/index.php?title=Русская_Википедия:Система_токсин-антитоксин&oldid=10802708