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factor sigma

Un factor sigma ( factor σ o factor de especificidad ) es una proteína necesaria para el inicio de la transcripción en bacterias . [1] [2] Es un factor de iniciación de la transcripción bacteriana que permite la unión específica de la ARN polimerasa (RNAP) a los promotores de genes . Es homólogo al factor de transcripción B de arqueas y al factor eucariota TFIIB . [3] El factor sigma específico utilizado para iniciar la transcripción de un gen determinado variará dependiendo del gen y de las señales ambientales necesarias para iniciar la transcripción de ese gen. La selección de promotores por la ARN polimerasa depende del factor sigma que se asocia con él. [4] También se encuentran en los cloroplastos de las plantas como parte de la polimerasa codificada por plastidios (PEP) similar a las bacterias. [5]

El factor sigma, junto con la ARN polimerasa, se conoce como holoenzima de la ARN polimerasa . Cada molécula de holoenzima de ARN polimerasa contiene exactamente una subunidad del factor sigma, que en la bacteria modelo Escherichia coli es una de las que se enumeran a continuación. El número de factores sigma varía entre especies bacterianas. [1] [6] E. coli tiene siete factores sigma. Los factores sigma se distinguen por sus pesos moleculares característicos . Por ejemplo, σ 70 es el factor sigma con un peso molecular de 70 kDa .

El factor sigma en el complejo holoenzimático de la ARN polimerasa es necesario para el inicio de la transcripción, aunque una vez finalizada esa etapa se disocia del complejo y la RNAP continúa elongándose por sí sola.

Factores sigma especializados

Se utilizan diferentes factores sigma en diferentes condiciones ambientales. Estos factores sigma especializados se unen a los promotores de genes apropiados para las condiciones ambientales, aumentando la transcripción de esos genes.

Factores sigma en E. coli :

También existen factores anti-sigma que inhiben la función de los factores sigma y factores anti-anti-sigma que restauran la función del factor sigma.

Estructura

Organización de dominio, reconocimiento de promotores y organización estructural de la familia σ 70 . ( a ) La organización del dominio de los factores σ de los Grupos 1, 3 y 4 se ilustra arriba del ADN promotor consenso de σ 70 de E. coli. ( b ) Organización de E. coli σ70 en un complejo de iniciación de la transcripción de ARN polimerasa. (PDB 4YLN).

Por similitud de secuencia, la mayoría de los factores sigma son similares a σ 70 ( InterPro :  IPR000943 ). Tienen cuatro regiones (dominios) principales que generalmente se conservan:

N-terminal --------------------- C-terminal 1.1 2 3 4

Las regiones se subdividen aún más. Por ejemplo, la región 2 incluye 1.2 y 2.1 a 2.4.

El dominio 1.1 se encuentra sólo en "factores sigma primarios" (RpoD, RpoS en E. coli ; "Grupo 1"). Participa en garantizar que el factor sigma solo se una al promotor cuando forme complejo con la ARN polimerasa. [7] Los dominios 2 a 4 interactúan cada uno con elementos promotores específicos y con RNAP. La región 2.4 reconoce y se une al elemento promotor −10 (llamado " cuadro Pribnow "). La región 4.2 reconoce y se une al elemento promotor −35. [7]

No todos los factores sigma de la familia σ 70 contienen todos los dominios. El grupo 2, que incluye RpoS, es muy similar al grupo 1 pero carece del dominio 1. El grupo 3 también carece del dominio 1 e incluye σ 28 . El grupo 4, también conocido como grupo de función extracitoplasmática (ECF), carece de σ1.1 y σ3. RpoE es miembro. [7]

Otros factores sigma conocidos son del tipo σ 54 /RpoN ( InterPro :  IPR000394 ). Son factores sigma funcionales, pero tienen secuencias de aminoácidos primarios significativamente diferentes. [8]

Retención durante el alargamiento de la transcripción.

La ARN polimerasa central (que consta de 2 subunidades alfa (α), 1 beta (β), 1 beta-prime (β') y 1 omega (ω)) se une a un factor sigma para formar un complejo llamado holoenzima de ARN polimerasa . Anteriormente se creía que la holoenzima de la ARN polimerasa inicia la transcripción, mientras que la ARN polimerasa central por sí sola sintetiza el ARN. Por tanto, la opinión aceptada era que el factor sigma debe disociarse en la transición del inicio de la transcripción al alargamiento de la transcripción (esta transición se denomina "escape del promotor"). Esta opinión se basó en el análisis de complejos purificados de ARN polimerasa detenidos en el inicio y en el alargamiento. Finalmente, los modelos estructurales de los complejos de ARN polimerasa predijeron que, a medida que el producto de ARN en crecimiento alcanza una longitud superior a ~15 nucleótidos, la sigma debe ser "expulsada" de la holoenzima, ya que existe un choque estérico entre el ARN y un dominio sigma. Sin embargo, σ 70 puede permanecer unido en complejo con la ARN polimerasa central en el alargamiento temprano [9] y, a veces, durante el alargamiento. [10] De hecho, el fenómeno de la pausa proximal al promotor indica que sigma desempeña funciones durante el alargamiento temprano. Todos los estudios son consistentes con la suposición de que el escape del promotor reduce la vida útil de la interacción sigma-núcleo desde muy larga en el inicio (demasiado larga para ser medida en un experimento bioquímico típico) a una vida útil más corta y mensurable en la transición al alargamiento.

ciclo sigma

Durante mucho tiempo se pensó que el factor sigma abandona obligatoriamente la enzima central una vez que ha iniciado la transcripción, lo que le permite unirse a otra enzima central e iniciar la transcripción en otro sitio. Por tanto, el factor sigma circularía de un núcleo a otro. Sin embargo, se utilizó la transferencia de energía por resonancia de fluorescencia para demostrar que el factor sigma no abandona obligatoriamente el núcleo. [9] En cambio, cambia su unión con el núcleo durante la iniciación y el alargamiento. Por lo tanto, el factor sigma oscila entre un estado fuertemente unido durante la iniciación y un estado débilmente unido durante el alargamiento.

Competencia del factor sigma

Se ha demostrado que el número de RNAP en células bacterianas (p. ej., E. coli ) es menor que el número de factores sigma. En consecuencia, si un determinado factor sigma se sobreexpresa, no sólo aumentarán los niveles de expresión de los genes cuyos promotores tienen preferencia por ese factor sigma, sino que también se reducirá la probabilidad de que genes con promotores tengan preferencia por otros factores sigma. [11] [12] [13] [14]

Mientras tanto, el inicio de la transcripción tiene dos pasos principales que limitan la velocidad: la formación del complejo cerrado y abierto. Sin embargo, sólo la dinámica del primer paso depende de la concentración de factores sigma. Curiosamente, cuanto más rápida es la formación de complejos cerrados en relación con la formación de complejos abiertos, menos sensible es un promotor a los cambios en la concentración de los factores sigma (ver [14] para un modelo y datos empíricos de este fenómeno).

Genes con preferencia de factor dual sigma

Si bien la mayoría de los genes de E. coli pueden ser reconocidos por un RNAP con un solo tipo de factor sigma (p. ej., sigma 70), unos pocos genes (~ 5%) tienen lo que se llama una “preferencia de factor sigma dual” [15 ] es decir, pueden responder a dos factores sigma diferentes, como se informa en RegulonDB. [16] Los más comunes son aquellos promotores que pueden responder tanto a sigma 70 como a sigma 38 (ilustrados en la figura). Los estudios de la dinámica de estos genes demostraron que cuando las células entran en crecimiento estacionario son casi tan inducidas como aquellos genes que tienen preferencia por σ38 solo. Se demostró que este nivel de inducción era predecible a partir de su secuencia promotora. [15] En la figura se muestra un modelo de su dinámica. En el futuro, estos promotores pueden convertirse en herramientas útiles en construcciones genéticas sintéticas en E. coli .

Izquierda : ilustración de genes cuyos promotores pueden ser reconocidos tanto por sigma 70 (verde) como por sigma 38 (azul). Se muestran las ARN polimerasas, que transportan los dos factores sigma diferentes, y cualquiera de ellas puede unirse a la región promotora (rectángulo gris). Derecha : Modelo propuesto en [15] de estos genes. El modelo consta de un proceso de expresión genética de dos pasos (transcripción seguida de traducción). La constante de velocidad de la transcripción (kt ) representa la posibilidad de unión por cualquiera de los RNAP (los que llevan sigma 70 y los que llevan sigma 38). El modelo también incluye la traducción (constante de velocidad kt) y la degradación de ARN y proteínas a "nada" representada por el "glifo cero recortado".

Ver también

Referencias

  1. ^ abcde Gruber TM, CA bruta (2003). "Múltiples subunidades sigma y la partición del espacio de transcripción bacteriana". Revista Anual de Microbiología . 57 : 441–66. doi : 10.1146/annurev.micro.57.030502.090913. PMID  14527287.
  2. ^ Kang JG, Hahn MY, Ishihama A, Roe JH (julio de 1997). "Identificación de factores sigma para la selectividad del promotor relacionada con la fase de crecimiento de las ARN polimerasas de Streptomyces coelicolor A3 (2)". Investigación de ácidos nucleicos . 25 (13): 2566–73. doi :10.1093/nar/25.13.2566. PMC 146787 . PMID  9185565. 
  3. ^ Burton SP, Burton ZF (6 de noviembre de 2014). "El enigma de σ: los factores σ bacterianos, el TFB de arqueas y el TFIIB eucariota son homólogos". Transcripción . 5 (4): e967599. doi :10.4161/21541264.2014.967599. PMC 4581349 . PMID  25483602. 
  4. ^ Ho TD, CD de Ellermeier (abril de 2012). "Activación del factor σ de función extra citoplasmática". Opinión actual en microbiología . 15 (2): 182–8. doi :10.1016/j.mib.2012.01.001. PMC 3320685 . PMID  22381678. 
  5. ^ Schweer J, Türkeri H, Kolpack A, Link G (diciembre de 2010). "Papel y regulación de los factores sigma de los plástidos y sus interactuantes funcionales durante la transcripción del cloroplasto: lecciones recientes de Arabidopsis thaliana". Revista europea de biología celular . 89 (12): 940–6. doi :10.1016/j.ejcb.2010.06.016. PMID  20701995.
  6. ^ Sharma Reino Unido, Chatterji D (septiembre de 2010). "Cambio transcripcional en Escherichia coli durante el estrés y el hambre mediante la modulación de la actividad sigma". Reseñas de microbiología FEMS . 34 (5): 646–57. doi : 10.1111/j.1574-6976.2010.00223.x . PMID  20491934.
  7. ^ abc Paget MS (junio de 2015). "Factores Sigma bacterianos y factores Anti-Sigma: estructura, función y distribución". Biomoléculas . 5 (3): 1245–65. doi : 10.3390/biom5031245 . PMC 4598750 . PMID  26131973. 
  8. ^ Merrick MJ (diciembre de 1993). "En una clase propia: el factor sigma 54 (sigma N) de la ARN polimerasa". Microbiología Molecular . 10 (5): 903–9. doi :10.1111/j.1365-2958.1993.tb00961.x. PMID  7934866. S2CID  84789281.
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  15. ^ ab Baptista, Inés SC; Kandavalli, Vinodh; Chauhan, Vatsala; Bahrudeen, Mohamed NM; Almeida, Bilena LB; Palma, Cristina SD; Dash, Suchintak; Ribeiro, André S. (abril de 2022). "Modelo de genes dependiente de la secuencia con preferencia de factor dual σ". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Mecanismos reguladores de genes . 1865 (3): 194812. doi : 10.1016/j.bbagrm.2022.194812 . hdl : 10362/143501 . PMID  35338024. S2CID  247636833.
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enlaces externos