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Factor sigma

Un factor sigma ( factor σ o factor de especificidad ) es una proteína necesaria para la iniciación 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 las 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 parte de 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 plástidos (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 la 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 las 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 del complejo holoenzima de la ARN polimerasa es necesario para el inicio de la transcripción, aunque una vez terminada esa etapa se disocia del complejo y la ARN polimerasa continúa su elongación 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 adecuados a 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 del dominio, reconocimiento del promotor 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 sobre el ADN del promotor de consenso σ 70 de E. coli. ( b ) Organización de σ70 de E. coli en un complejo de iniciación de la transcripción de la ARN polimerasa. (PDB 4YLN).

Por similitud de secuencia, la mayoría de los factores sigma son similares a σ70 ( InterPro : IPR000943  ) . Tienen cuatro regiones principales (dominios) que generalmente se conservan:

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

Las regiones se subdividen a su vez. Por ejemplo, la región 2 incluye las regiones 1.2 y 2.1 a 2.4.

El dominio 1.1 se encuentra únicamente en los "factores sigma primarios" (RpoD, RpoS en E. coli ; "Grupo 1"). Participa en asegurar que el factor sigma solo se una al promotor cuando está en complejo con la ARN polimerasa. [7] Los dominios 2-4 interactúan cada uno con elementos promotores específicos y con la ARN polimerasa. La región 2.4 reconoce y se une al elemento promotor −10 (llamado " caja 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 a RpoS, es muy similar al grupo 1 pero carece del dominio 1. El grupo 3 también carece del dominio 1 e incluye a σ 28 . El grupo 4, también conocido como el grupo de Función Extracitoplasmática (ECF), carece tanto de σ1.1 como de σ3. RpoE es un 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 la elongación 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 la ARN polimerasa . Anteriormente se creía que la holoenzima de la ARN polimerasa inicia la transcripción, mientras que la ARN polimerasa central sintetiza por sí sola el ARN. Por lo tanto, la opinión aceptada era que el factor sigma debe disociarse en la transición desde el inicio de la transcripción hasta la elongación de la transcripción (esta transición se llama "escape del promotor"). Esta opinión se basó en el análisis de complejos purificados de ARN polimerasa estancados en el inicio y en la elongación. Finalmente, los modelos estructurales de los complejos de ARN polimerasa predijeron que, a medida que el producto de ARN en crecimiento se vuelve más largo que ~15 nucleótidos, sigma debe ser "expulsado" 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 la elongación temprana [9] y, a veces, durante toda la elongación. [10] De hecho, el fenómeno de pausa proximal al promotor indica que sigma desempeña funciones durante la elongación temprana. Todos los estudios son consistentes con el supuesto de que el escape del promotor reduce la vida útil de la interacción sigma-núcleo de muy larga al inicio (demasiado larga para ser medida en un experimento bioquímico típico) a una vida útil más corta y medible en la transición a la elongación.

Ciclo sigma

Durante mucho tiempo se ha pensado 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 lo tanto, el factor sigma pasaría cíclicamente 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 la elongación. Por lo tanto, el factor sigma pasa cíclicamente entre un estado fuertemente unido durante la iniciación y un estado débilmente unido durante la elongación.

Competencia del factor sigma

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

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

Genes con preferencia de factor sigma dual

Mientras que la mayoría de los genes de E. coli pueden ser reconocidos por una ARN polimerasa con uno y sólo un tipo de factor sigma (por ejemplo, sigma 70), unos pocos genes (~ 5%) tienen lo que se llama una “preferencia dual de factor sigma”, [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 (iIlustrado en la figura). Estudios de la dinámica de estos genes mostraron 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] Un modelo de su dinámica se muestra en la figura. 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 llevan 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 consiste en un proceso de dos pasos de expresión génica (transcripción seguida de traducción). La constante de velocidad de la transcripción (k t ) explica la posibilidad de unión de cualquiera de las ARN polimerasas (las que llevan sigma 70 y las 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 con barra".

Véase también

Referencias

  1. ^ abcde Gruber TM, Gross CA (2003). "Subunidades sigma múltiples y la partición del espacio de transcripción bacteriana". Revisión 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)". Nucleic Acids Research . 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 σ: los factores σ bacterianos, el TFB arqueal y el TFIIB eucariota son homólogos". Transcripción . 5 (4): e967599. doi :10.4161/21541264.2014.967599. PMC 4581349 . PMID  25483602. 
  4. ^ Ho TD, Ellermeier CD (abril de 2012). "Activación del factor σ de la función extracitoplasmática". Current Opinion in Microbiology . 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). "Función y regulación de los factores sigma de los plástidos y sus interactuadores funcionales durante la transcripción de los cloroplastos: 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 UK, Chatterji D (septiembre de 2010). "Cambio transcripcional en Escherichia coli durante el estrés y la inanición mediante la modulación de la actividad sigma". FEMS Microbiology Reviews . 34 (5): 646–57. doi : 10.1111/j.1574-6976.2010.00223.x . PMID  20491934.
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  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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