خماسي فوسفات الغوانوزين

📅 آخر تحديث: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

تُعرف نيوكليوتيدات (p)ppGpp ، وهي خماسي فوسفات ورباعي فوسفات الغوانوزين ، باسم نيوكليوتيدات "البقعة السحرية" [ 1 ]، وهي نيوكليوتيدات إنذارية تُشارك في الاستجابة الصارمة للبكتيريا، حيث تُثبّط تخليق الحمض النووي الريبوزي (RNA) عند نقص الأحماض الأمينية . يُقلّل هذا التثبيط بواسطة (p)ppGpp من عملية الترجمة في الخلية، مما يُحافظ على الأحماض الأمينية الموجودة. علاوة على ذلك، يُحفّز كلٌّ من ppGpp وpppGpp زيادة التعبير عن العديد من الجينات الأخرى المُشاركة في الاستجابة للإجهاد، مثل جينات امتصاص الأحماض الأمينية (من الوسط المحيط ) والتخليق الحيوي [ 2 ] . كما يُوجد (p)ppGpp في النباتات ، حيث يُعرف بدوره في تنظيم عمليات النمو والتطور [ 3 ] .

اكتشاف

تم التعرف على ppGpp وpppGpp لأول مرة بواسطة مايكل كاشيل عام 1969. [ 4 ] وُجد أن هذه النيوكليوتيدات تتراكم بسرعة في خلايا الإشريكية القولونية التي تعاني من نقص الأحماض الأمينية، وتثبط تخليق الحمض النووي الريبوزي الريبوسومي والناقل. [ 5 ] من المعروف الآن أن (p)ppGpp يُنتج أيضًا استجابةً لعوامل إجهاد أخرى، بما في ذلك نقص الكربون والفوسفات. تاريخيًا، قدمت الدراسات المنشورة حول (p)ppGpp نتائج ومعلومات متضاربة بشأن دوره في استجابات البكتيريا للإجهاد. [ 6 ]

غياب

أظهرت الدراسات أن بكتيريا الإشريكية القولونية أكثر حساسية لتراكم رباعي فوسفات الغوانوزين من خماسي فوسفات الغوانوزين. [ 7 ] يؤدي الغياب التام لـ (p)ppGpp إلى متطلبات متعددة من الأحماض الأمينية، وضعف بقاء المزارع القديمة، وانقسام خلوي غير طبيعي، وتغيرات في الشكل، وانعدام الحركة، بالإضافة إلى توقف نمو البكتيريا أثناء دخولها في حالة المجاعة.

التخليق والتحلل

تم توصيف عملية تركيب وتحلل (p)ppGpp على نطاق واسع في الكائن الحي النموذجي البكتيري Escherichia coli.

دور RelA في التخليق

يُنتَج (p)ppGpp بواسطة إنزيم سينثاز pppGpp ، المعروف أيضًا باسم RelA، ويُحوَّل من pppGpp إلى ppGpp بواسطة إنزيم فوسفوهيدرولاز pppGpp. يرتبط RelA بحوالي واحد من كل مئتي ريبوسوم ، ويُفعَّل عند دخول جزيء الحمض النووي الريبوزي الناقل (tRNA) غير المشحون إلى الموقع A في الريبوسوم، نتيجةً لنقص الأحماض الأمينية اللازمة لـ tRNA. إذا كانت البكتيريا الطافرة relA- ، يُقال إنها في حالة استرخاء، ولا يُلاحَظ أي تنظيم لإنتاج الحمض النووي الريبوزي بسبب نقص الأحماض الأمينية.

دور SpoT في التدهور

تُنتج بكتيريا الإشريكية القولونية بروتينًا ثانيًا مسؤولًا عن تحلل (p)ppGpp، وهو SpoT . عند استعادة توازن الأحماض الأمينية في الخلية، يقوم SpoT بتحليل (p)ppGpp وإعادته إلى حالة أكثر استقرارًا من الناحية الطاقية. يمتلك هذا البروتين أيضًا القدرة على تصنيع (p)ppGpp، ويبدو أنه الإنزيم المُصنِّع الرئيسي في ظل ظروف إجهاد معينة. تُشفِّر معظم أنواع البكتيريا الأخرى بروتينًا واحدًا مسؤولًا عن كلٍّ من تصنيع وتحلل (p)ppGpp، وهو عادةً ما يكون متماثلًا مع SpoT.

الأهداف

تشمل أهداف (p)ppGpp وحدات جينية للرنا الريبوسومي (rRNA )، وعددها سبع في بكتيريا الإشريكية القولونية ، ولكل منها مُحفِّزان . عندما يرتبط (p)ppGpp بالمُحفِّز، فإنه يؤثر على قدرة إنزيم بوليميراز الرنا على الارتباط وبدء عملية النسخ . يُعتقد أن (p)ppGpp قد يؤثر على استقرار المركب المفتوح الذي يُشكِّله بوليميراز الرنا على الحمض النووي، وبالتالي يؤثر على إزالة المُحفِّز. كما يؤدي وجوده إلى زيادة التوقف المؤقت أثناء استطالة النسخ، ويتنافس مع ركائز النيوكليوسيد ثلاثي الفوسفات .

يوجد الآن إجماع على أن (p)ppGpp هو عامل محدد للتحكم في معدل النمو بدلاً من تركيزات ركائز النيوكليوسيد ثلاثي الفوسفات (NTP).

وظيفة

تثبيط تخليق البروتين

يُثبّط ppGpp تكوين ثنائي الببتيد fMet-Phe المُحفّز بواسطة IF2، على الأرجح عن طريق التداخل مع تفاعلات الوحدتين الفرعيتين 30S و50S. تُراكم بكتيريا الإشريكية القولونية كمية أكبر من ppGpp مقارنةً بـ pppGpp أثناء نقص الأحماض الأمينية، وتتمتع ppGpp بكفاءة أعلى بحوالي 8 أضعاف من pppGpp. بينما تُراكم بكتيريا العصوية الرقيقة كمية أكبر من pppGpp مقارنةً بـ ppGpp.

تثبيط تضاعف الحمض النووي

في بكتيريا الإشريكية القولونية، أدى نقص الأحماض الأمينية إلى تثبيط تضاعف الحمض النووي في مرحلة البدء عند موقع oriC، على الأرجح بسبب نقص بروتين بدء التضاعف DnaA. أما في بكتيريا العصوية الرقيقة، فيحدث توقف التضاعف نتيجة لتراكم (p)ppGpp بسبب ارتباط بروتين Rtp بمواقع محددة تبعد حوالي 100-200 كيلوبايت عن موقع oriC في كلا الاتجاهين. وقد تم تثبيط إنزيم برايميز الحمض النووي (DnaG) بشكل مباشر بواسطة (p)ppGpp. وعلى عكس الإشريكية القولونية، تتراكم في العصوية الرقيقة كمية أكبر من pppGpp مقارنةً بـ ppGpp؛ فالنيوكليوتيد الأكثر وفرة يُعد مثبطًا أقوى لـ DnaG. يستطيع ppGpp الارتباط ببروتين Obg الذي ينتمي إلى عائلة بروتينات GTPase الصغيرة المحفوظة. يتفاعل بروتين Obg مع العديد من المنظمات (RsbT، RsbW، RsbX) الضرورية لتنشيط سيجما B استجابةً للإجهاد.

تكاثر وتطور العاثيات

يبدو أن مستويات (p)ppGpp في الخلية المضيفة تعمل كمستشعر لتطور العاثية لامدا، حيث تؤثر بشكل أساسي على عملية النسخ. تعمل المستويات المعتدلة من ppGpp على تثبيط pR وتنشيط محفزات pE وpI وpaQ داخل الخلية الحية، ولها تأثيرات في المختبر تُرجّح التحلل. في المقابل، يُرجّح غياب (p)ppGpp أو ارتفاع تركيزاته التحلل. تُرجّح المستويات المعتدلة من ppGpp التحلل عن طريق خفض مستوى HflB (FtsH). عندما يكون ppGpp غائبًا أو مرتفعًا، ترتفع مستويات بروتياز HflB، مما يؤدي إلى انخفاض CII (بروتين العاثية المُحفّز للتحلل) ويُرجّح التحلل.

النسخ

المحفزات المتأثرة

من العناصر الأساسية للمحفزات المثبطة بواسطة (p)ppGpp وجود منطقة تمييز غنية بالـ GC، تُعرَّف بأنها منطقة بين صندوق TATA (صندوق -10) والنيوكليوتيد +1 (حيث +1 هو موقع بدء النسخ). تحتوي المحفزات التي يتم تنظيمها سلبًا بواسطة ppGpp على رابط بطول 16 زوجًا قاعديًا، على عكس المحفزات المتفق عليها بطول 17 زوجًا قاعديًا. أما المحفزات التي يتم تنشيطها بواسطة ppGpp، فيبدو أنها تحتوي على منطقة تمييز غنية بالـ AT وروابط أطول (على سبيل المثال، رابط محفز his بطول 18 زوجًا قاعديًا).

إنزيم بوليميراز الحمض النووي الريبي هو الهدف

استُمدّت الأدلة الجينية التي تشير إلى أن بوليميراز الحمض النووي الريبي (RNAP) هو هدف ppGpp من اكتشاف أن طفرات M+ (المعروفة أيضًا باسم طفرات RNAP الصارمة) تُظهر محاكاةً في المختبر وفي الجسم الحي للوظائف الفسيولوجية وتنظيم النسخ الذي يوفره (p)ppGpp، حتى في غيابه. وقد عزز الربط المتقاطع لـ ppGpp مع RNAP هذه الفكرة. وجاءت التفاصيل البنيوية للارتباط بين ppGpp وRNAP من تحليل البلورات المشتركة التي وضعت ppGpp في القناة الثانوية لـ RNAP بالقرب من المركز التحفيزي.

هيئة الأمن القومي تعزز التنظيم

بروتين DksA هو بروتين بوزن 17 كيلو دالتون، ويشبه تركيبه تركيب GreA وGreB، وهما عاملان معروفان جيدًا لإطالة النسخ . يرتبط GreA وGreB مباشرةً بإنزيم بوليميراز الحمض النووي الريبي (RNAP) وليس بالحمض النووي (DNA)، ويعملان عن طريق إدخال نطاقهما الحلزوني الملتف الموجود في الطرف الأميني عبر القناة الثانوية لإنزيم RNAP. يُعد وجود حمضين أمينيين محفوظين في طرف هذا النطاق ضروريًا لتحفيز قدرة RNAP الذاتية على قطع الحمض النووي الريبي المتراجع. يمتلك DksA أيضًا حمضين أمينيين في طرف نطاقه، ولكنه لا يحفز نشاط القطع النيوكليازي. بدلاً من ذلك، يُقترح أن هذين الحمضين الأمينيين يُثبّتان ارتباط ppGpp بإنزيم RNAP من خلال التنسيق المتبادل لأيون المغنيسيوم (Mg2+)، وهو أمر بالغ الأهمية لعملية البلمرة.

تثبيط وتنشيط النسخ

يُثبّط ppGpp عملية النسخ من مُحفّزات الريبوسوم بشكل مباشر. أحد النماذج هو أن ppGpp وDksA معًا، وبشكل مستقل، يُقلّلان من استقرار المُركّبات المفتوحة التي يُشكّلها بوليميراز الحمض النووي الريبوزي (RNAP) على الحمض النووي. نموذج آخر هو آلية الاحتجاز، حيث يُحتجز RNAP بواسطة ppGpp في مُركّبات مُغلقة، فيصبح غير قادر على بدء عملية النسخ. بالتالي، يبدو أن ppGpp يعمل على مُستويات مُتعدّدة، وآلية عمله هي نتيجة مُعقّدة لعوامل عديدة، من بينها خصائص المُحفّز الذاتية. يُمكن أن يكون تنشيط النسخ بواسطة ppGpp مُباشرًا أو غير مُباشر. يحدث التنشيط المُباشر عندما يتفاعل RNAP مع مُؤثّرات، مثل ppGpp أو DksA أو كليهما، لزيادة النسخ من مُحفّز مُعيّن. يعتمد التنشيط غير المُباشر بواسطة هذه المُؤثّرات لمُحفّز واحد على تثبيط مُحفّزات أخرى (قوية)، مما يؤدي إلى زيادة توافر RNAP الذي يُنشّط بدء عملية النسخ بشكل غير مُباشر. تشمل المحفزات التي يتم تنشيطها مباشرةً بواسطة ppGpp كلاً من P argI و P thrABC و P livJ و P hisG . أما المحفزات التي يتم تنشيطها بشكل غير مباشر فتشمل تلك التي تعتمد على عوامل سيجما: S و H و N و E. عند تثبيط المحفزات القوية، مثل rrn ، يتوفر المزيد من بوليميراز الحمض النووي الريبي (RNAP) لعوامل سيجما البديلة هذه.

التسبب في المرض

عند غياب (p)ppGpp، تتأثر القدرة الإمراضية سلبًا لأسباب تختلف باختلاف الكائن الحي المدروس. وقد أدى حذف جيني rel A و spo T، وليس rel A وحده، إلى حالة (p)ppGpp 0، مما أسفر عن ضعف شديد في الفئران وعدم قدرتها على إحداث غزو في المختبر. وكشفت اختبارات اللقاح أنه بعد 30 يومًا من التحصين بجرعة واحدة من سلالة (p)ppGpp 0 ، تمت حماية الفئران من الإصابة بسالمونيلا من النوع البري بجرعة أعلى بمقدار 10⁶ مرة من الجرعة المميتة المتوسطة ( LD50) المعروفة .

تراكم متعدد الفوسفات

اقترح الباحثون أن زيادة تخليق (p)ppGpp قد تؤدي إلى تراكم متعدد الفوسفات (PolyP) في بكتيريا الإشريكية القولونية . [ 8 ] قد يتفاعل هذا الهرمون المنبه مع إنزيم إكسوبوليفوسفاتاز PPX ، مما يثبط تحلل متعدد الفوسفات، وبالتالي يؤدي إلى تراكمه في البكتيريا. مع ذلك، فقد تبين مؤخرًا أن DksA، وليس (p)ppGpp، هو المسؤول عن هذا التراكم. [ 9 ] كما تبين في بكتيريا الزائفة الزنجارية أن الطفرة phoU ( التي ينتمي جين phoU فيها إلى مجموعة تنظيم Pho ) تُنتج كمية أكبر من (p)ppGpp، وهذا أحد أسباب تراكم المزيد من متعدد الفوسفات فيها. [ 10 ]

مراجع

  1. ↑ آدامز دي جي، فيليبس دي أو، نيكولز جي إم، كار إن جي (سبتمبر 1977). "وجود وغياب تعديل النيوكليوتيدات في البقعة السحرية في البكتيريا الزرقاء التي تخضع لتحول غذائي تنازلي" . رسائل FEBS . 81 (1): 48-52 . Bibcode : 1977FEBSL..81...48A . doi : 10.1016 / 0014-5793(77)80925-3 . PMID 409622. S2CID 12110840 .  
  2. ↑ سريفاتسان أ، وانغ جيه دي (أبريل 2008). "التحكم في نسخ وترجمة وتضاعف البكتيريا بواسطة (p)ppGpp". الرأي الحالي في علم الأحياء الدقيقة . 11 (2): 100-105 . doi : 10.1016/j.mib.2008.02.001 . PMID 18359660 . 
  3. ↑ توركان إس، كولاسيك إم، زينكيويتز أ، ميريك-آدامسكا أ، سكرزيبيك إي، وارتشو م، وآخرون . (مارس 2024). "Guanosine tetraphosphate (ppGpp) هو لاعب جديد في تطوير بذور Brassica napus L." . كيمياء الغذاء . 436 137648. دوى : 10.1016/j.foodchem.2023.137648 . بميد 37852071 .  
  4. ↑ كاشيل م، غالانت ج (مارس 1969). "مركبان متورطان في وظيفة جين RC في الإشريكية القولونية". نيتشر . 221 ( 5183): 838-841 . Bibcode : 1969Natur.221..838C . doi : 10.1038/221838a0 . PMID 4885263. S2CID 4146964 .  
  5. ↑ كاشيل م، جينتري د ر، هيرنانديز ف هـ، فينيلا د (1996). "الاستجابة الصارمة". في نيدهارت ف س، كورتيس الثالث ر، إنجراهام ج ل، لين إي سي، لو ك ب، ماجاسانيك ب، ريزنيكوف و س، رايلي م، شايختر م، أومبارجر هـ إي (محررون).الإشريكية القولونية والسالمونيلا : البيولوجيا الخلوية والجزيئية (الطبعة الثانية  ). مطبعة الجمعية الأمريكية لعلم الأحياء الدقيقة .
  6. ↑ يا باسيوس، بلاسكو إل، بليريوت الأول، فرنانديز-غارسيا إل، أمبروا أ، لوبيز إم، وآخرون . (سبتمبر 2020). "(ع) ppGpp ودوره في الثبات البكتيري: تحديات جديدة" . العوامل المضادة للميكروبات والعلاج الكيميائي . 64 (10) e01283-20: e01283–20. دوى : 10.1128/AAC.01283-20 ​​. بمك 7508602 . بميد 32718971 .   
  7. ↑ ميتشولد يو، بوتريكوس ك، مورفي هـ، موراكامي ك س، كاشيل م (يوليو 2013). "التنظيم التفاضلي بواسطة ppGpp مقابل pppGpp في الإشريكية القولونية" . أبحاث الأحماض النووية . 41 (12): 6175-6189 . doi : 10.1093/nar/gkt302 . PMC 3695517. PMID 23620295 .  
  8. ↑ كورودا أ، مورفي هـ، كاشيل م، كورنبرغ أ (أغسطس 1997). "يعزز رباعي وخماسي فوسفات الغوانوزين تراكم متعدد الفوسفات غير العضوي في الإشريكية القولونية" . مجلة الكيمياء البيولوجية . 272 ​​(34): 21240-21243 . doi : 10.1074/jbc.272.34.21240 . PMID 9261133 . 
  9. ↑ غراي، إم جيه (مايو 2019). " يُنظَّم تراكم متعدد الفوسفات غير العضوي في الإشريكية القولونية بواسطة DksA وليس بواسطة (p)ppGpp" . مجلة علم البكتيريا . 201 (9). doi : 10.1128/jb.00664-18 . PMC 6456864. PMID 30745375 .  
  10. ↑ دي ألميدا إل جي، أورتيز جيه إتش، شنايدر آر بي، سبيرا بي (مايو 2015). "تعطيل جين phoU في بكتيريا الزائفة الزنجارية يعزز تراكم ppGpp والفوسفات المتعدد" . علم الأحياء الدقيقة التطبيقي والبيئي . 81 (9): 3006-3015 . Bibcode : 2015ApEnM..81.3006D . doi : 10.1128/aem.04168-14 . PMC 4393453. PMID 25710363 .  

للمزيد من القراءة