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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 ...

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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 génicos . Es homólogo al factor de transcripción arqueal B 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 a ella. [ 4 ] También se encuentran en los cloroplastos de las plantas como parte de la polimerasa codificada por plastidios (PEP) similar a la bacteriana. [ 5 ]

El factor sigma, junto con la ARN polimerasa, se conoce como la holoenzima de la ARN polimerasa . Cada molécula de la holoenzima de la ARN polimerasa contiene exactamente una subunidad de 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 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 ARN polimerasa continúa la elongación por sí sola.

Factores sigma especializados

En distintas condiciones ambientales, se utilizan diferentes factores sigma. Estos factores sigma especializados se unen a los promotores de los genes adecuados a las condiciones ambientales, aumentando así la transcripción de dichos genes.

Factores sigma en E. coli :

  • σ 70 (RpoD) – σ A – el factor sigma "de mantenimiento" o también llamado factor sigma primario (Grupo 1), transcribe la mayoría de los genes en las células en crecimiento. Cada célula tiene un factor sigma "de mantenimiento" que mantiene funcionando los genes y vías esenciales. [ 1 ] En el caso de E. coli y otras bacterias gramnegativas con forma de bastón, el factor sigma "de mantenimiento" es σ 70. [ 1 ] Los genes reconocidos por σ 70 contienen secuencias consenso de promotor similares que constan de dos partes. [ 1 ] En relación con la base de ADN correspondiente al inicio del transcrito de ARN, las secuencias de promotor consenso se centran característicamente en 10 y 35 nucleótidos antes del inicio de la transcripción (−10 y −35).
  • σ 19 (FecI) – el factor sigma del citrato férrico, regula el gen fec para el transporte y metabolismo del hierro.
  • σ 24 (RpoE) – respuesta al estrés térmico extremo y las proteínas extracelulares factor sigma
  • σ 28 (RpoF/FliA) – el factor sigma de síntesis flagelar y quimiotaxis
  • σ 32 (RpoH) – el factor sigma de choque térmico , se activa cuando las bacterias se exponen al calor. Debido a su alta expresión, este factor se une con alta probabilidad a la enzima central de la polimerasa. Al hacerlo, se expresan otras proteínas de choque térmico, lo que permite a la célula sobrevivir a temperaturas elevadas. Algunas de las enzimas que se expresan tras la activación de σ 32 son chaperonas , proteasas y enzimas de reparación del ADN.
  • σ 38 (RpoS) – el factor sigma de la fase de inanición/estacionaria
  • σ 54 (RpoN) – el factor sigma de limitación de nitrógeno

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

Estructura

Organización de dominios, reconocimiento del promotor y organización estructural de la familia σ70. ( a ) La organización de dominios de los factores σ de los grupos 1, 3 y 4 se ilustra sobre el ADN promotor consenso de σ70 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 σ 70 ( InterPro : IPR000943 ). Tienen cuatro regiones principales (dominios) que generalmente están conservadas: 

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

Las regiones se subdividen aún más. Por ejemplo, la región 2 incluye las zonas 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"). Está involucrado en asegurar que el factor sigma solo se una al promotor cuando está complejizado 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 de 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 de este grupo. [ 7 ]

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

Retención durante la elongación de la transcripción

La ARN polimerasa central (compuesta por 2 subunidades alfa (α), 1 beta (β), 1 beta-prima (β') y 1 omega (ω)) se une a un factor sigma para formar un complejo denominado holoenzima de la ARN polimerasa . Anteriormente se creía que la holoenzima de la ARN polimerasa iniciaba la transcripción, mientras que la ARN polimerasa central por sí sola sintetizaba el ARN. Por lo tanto, la visión aceptada era que el factor sigma debía disociarse al pasar de la iniciación a la elongación de la transcripción (esta transición se denomina "escape del promotor"). Esta visión se basaba en el análisis de complejos purificados de ARN polimerasa detenidos en la iniciación y en la elongación. Finalmente, los modelos estructurales de los complejos de la ARN polimerasa predijeron que, a medida que el producto de ARN en crecimiento se vuelve más largo que ~15 nucleótidos, el factor sigma debe ser "expulsado" de la holoenzima, debido a un impedimento 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 la suposición de que el escape del promotor reduce la vida media de la interacción sigma-núcleo, pasando de una vida media muy larga en la iniciación (demasiado larga para ser medida en un experimento bioquímico típico) a una vida media más corta y medible al pasar a la elongación.

Ciclo Sigma

Durante mucho tiempo se pensó que el factor sigma abandonaba obligatoriamente la enzima central una vez iniciada la transcripción, lo que le permitía unirse a otra enzima central e iniciar la transcripción en otro sitio. De este modo, el factor sigma alternaría entre diferentes enzimas centrales. Sin embargo, se utilizó la transferencia de energía por resonancia de fluorescencia para demostrar que el factor sigma no abandona obligatoriamente la enzima central. [ 9 ] En cambio, modifica su unión a la enzima central durante la iniciación y la elongación. Por lo tanto, el factor sigma alterna entre un estado de fuerte unión durante la iniciación y un estado de débil unión durante la elongación.

Competencia del factor sigma

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

Mientras tanto, la iniciación de la transcripción tiene dos pasos limitantes principales: la formación del complejo cerrado y la del complejo abierto. Sin embargo, solo la dinámica del primer paso depende de la concentración de factores sigma. Curiosamente, cuanto más rápida sea la formación del complejo cerrado en relación con la del complejo abierto, menor será la respuesta del promotor a los cambios en la concentración de factores sigma (véase [ 14 ] para un modelo y datos empíricos de este fenómeno).

Genes con preferencia por el factor sigma dual

Si bien la mayoría de los genes de E. coli pueden ser reconocidos por una ARN polimerasa con un solo tipo de factor sigma (por ejemplo, sigma 70), algunos genes (~ 5%) tienen lo que se denomina 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 (ilustrado en la figura). Los estudios de la dinámica de estos genes mostraron que cuando las células entran en crecimiento estacionario, están casi tan inducidos como aquellos genes que tienen preferencia por σ38 solamente. Se demostró que este nivel de inducción es predecible a partir de su secuencia promotora [ 15 ] . En la figura se muestra un modelo de su dinámica. En el futuro, estos promotores podrían 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 portan los dos factores sigma diferentes, y cualquiera de ellas puede unirse a la región promotora (rectángulo gris). Derecha : Modelo propuesto en [15] para estos genes. El modelo consiste en un proceso de expresión génica en dos etapas (transcripción seguida de traducción). La constante de velocidad de la transcripción (k t ) tiene en cuenta la posibilidad de unión por cualquiera de las ARN polimerasas (las que portan sigma 70 y las que portan sigma 38). El modelo también incluye la traducción (constante de velocidad kt) y la degradación del ARN y las proteínas a "nada", representada por el "glifo de cero tachado".

Véase también

Referencias

  1. 1 2 3 4 5 Gruber TM, Gross CA (2003). "Múltiples subunidades sigma y la partición del espacio de transcripción bacteriana". Annual Review of Microbiology . 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, TFB arqueal y TFIIB eucariota son homólogos" . Transcription . 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 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 plastidios y sus interactores funcionales durante la transcripción de los cloroplastos: lecciones recientes de Arabidopsis thaliana". European Journal of Cell Biology . 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 . 
  7. 1 2 3 Paget MS (junio de 2015). " Factores sigma bacterianos y factores antisigma: estructura, función y distribución" . Biomolecules . 5 (3): 1245– 65. doi : 10.3390/biom5031245 . PMC 4598750. PMID 26131973 .  
  8. ↑ Merrick MJ (diciembre de 1993). "En una clase aparte: el factor sigma sigma 54 (sigma N) de la ARN polimerasa". Molecular Microbiology . 10 (5): 903– 9. doi : 10.1111/j.1365-2958.1993.tb00961.x . PMID 7934866. S2CID 84789281 .  
  9. ^ Kapanidis AN, Margeat E, Laurence TA, Doose S, Ho SO, Mukhopadhyay J, Kortkhonjia E, Mekler V, Ebright RH, Weiss S (noviembre de 2005). "Retención del factor de iniciación de la transcripción sigma70 en el alargamiento de la transcripción: análisis de una sola molécula" . Célula molecular . 20 (3): 347– 56. doi : 10.1016/j.molcel.2005.10.012 . PMID 16285917 . 
  10. ↑ Harden TT, Wells CD, Friedman LJ, Landick R, Hochschild A, Kondev J, Gelles J (enero de 2016). " La ARN polimerasa bacteriana puede retener σ70 durante toda la transcripción" . Proc Natl Acad Sci USA . 113 (3): 602–7 . Bibcode : 2016PNAS..113..602H . doi : 10.1073/pnas.1513899113 . PMC 4725480. PMID 26733675 .  
  11. ↑ Jishage, M; Ishihama, A (diciembre de 1995). "Regulación de la síntesis de la subunidad sigma de la ARN polimerasa en Escherichia coli: niveles intracelulares de sigma 70 y sigma 38" . Journal of Bacteriology . 177 (23): 6832– 6835. doi : 10.1128/jb.177.23.6832-6835.1995 . ISSN 0021-9193 . PMC 177550. PMID 7592475 .   
  12. ↑ Jishage, M; Iwata, A; Ueda, S; Ishihama, A (septiembre de 1996). "Regulación de la síntesis de la subunidad sigma de la ARN polimerasa en Escherichia coli: niveles intracelulares de cuatro especies de subunidad sigma bajo diversas condiciones de crecimiento" . Journal of Bacteriology . 178 (18): 5447– 5451. doi : 10.1128/jb.178.18.5447-5451.1996 . ISSN 0021-9193 . PMC 178365. PMID 8808934 .   
  13. ↑ Grigorova, Irina L.; Phleger, Naum J.; Mutalik, Vivek K.; Gross, Carol A. (2006-04-04). "Perspectivas sobre la regulación transcripcional y la competencia σ a partir de un modelo de equilibrio de la unión de la ARN polimerasa al ADN" . Actas de la Academia Nacional de Ciencias . 103 (14): 5332– 5337. Bibcode : 2006PNAS..103.5332G . doi : 10.1073/pnas.0600828103 . ISSN 0027-8424 . PMC 1459355. PMID 16567622 .   
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  15. 1 2 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 .  
  16. ↑ Santos-Zavaleta, Alberto; Salgado, Heladia; Gama-Castro, Socorro; Sánchez-Pérez, Mishael; Gómez-Romero, Laura; Ledezma-Tejeida, Daniela; García-Sotelo, Jair Santiago; Alquicira-Hernández, Kevin; Muñiz-Rascado, Luis José; Peña-Loredo, Pablo; Ishida-Gutiérrez, Cecilia (08/01/2019). "RegulonDB v 10.5: abordar los desafíos para unificar el conocimiento clásico y de alto rendimiento sobre la regulación genética en E. coli K-12" . Investigación de ácidos nucleicos . 47 (D1): D212– D220. doi : 10.1093/nar/gky1077 . ISSN 0305-1048 . PMC 6324031 . PMID 30395280 .