革兰氏阴性细菌双组分调节系统

革兰氏阴性细菌双组分调节系统

生物需要复杂而精密的信号系统感受、传导和响应外界环境的变化。蛋白磷酸化是原核和真核生物进行信号转导的主要机制。蛋白磷酸化由激酶催化，根据对底物专一性的不同，激酶可分为Ser/Thr 激酶、Tyr 激酶和His 激酶等。原核生物由于缺乏大多数丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸蛋白激酶，所以，组氨酸蛋白激酶在信号传递的诸多方面,包括对环境的适应、芽孢的形成、感受趋化性因子、渗透改变和营养缺乏等过程中起着至关重要的作用。该信号系统由两部分组成，包括感受器和反应调节蛋白，称为双组分系统（two-component system）。

双组分系统在自然界中非常普遍，几乎所有的细菌都编码各种不同的这种双组分系统来应对种种外界信号变化。长期以来，组氨酸激酶和双组分信号系统一直被认为局限于原核生物中，然而，越来越多的证据表明，这一系统也存在于许多真核生物中。目前，在酵母、粘菌(slime mold) 、真菌、和高等植物中都已找到了这一信号传递系统。在酵母中，由一个感受渗透压的双成分系统调节着MAPK级联系统，后者是真核生物特有的一个信号传递系统。高等植物中也已报道了一些感受器激酶基因，如拟南芥的ETR1、ERS 和CKI1,分别是乙烯和细胞分裂素信号传递途径的组分。到目前为止，在高等动物中还没有存在组氨酸激酶的报道，双组分系统是否存在于高等动物中也不清楚。

双组分系统最初是由Ninfa和Magasanik (1986) 在研究大肠埃希氏菌 (E. coli) 氮调节蛋白 (nitrogenregulatory protein, NR) 系统时发现的；与此同时，Nixon 等 (1986)发现细菌中存在许多感应系统（sensory system），其组分与大肠埃希氏菌的NR系统的组分具有相似的氨基酸序列。双组分系统普遍存在于原核生物中，大肠埃希氏菌中具有30种不同的双组分系统。

一个典型的双组分系统是由一个存在于膜上的信号组氨酸激酶（又名感受器、传感激酶）和一个存在于细胞质的反应调节子，它一般是一个转录因子（一个催化剂或者是抑制剂）。感受器通常位于细胞质膜上以监测环境变化，反应调节蛋白位于细胞质中并传递来自感受器的信号和调节基因的表达，以响应外界的变化。组氨酸激酶（HK，histidine kinase）感应到一个环境信号后，通过一系列的自磷酸化、磷酸化和去磷酸化等反应，将它传递给反应调节蛋白（RR， response regulator），而反应调节蛋白受到刺激后又将该信号传递给目的基因。很多已知的磷酸化应答调节子刺激或抑制特异蛋白的转录。这个信号传递的途径还包括磷酸化酶将应答调节子去磷酸化，使它恢复到未受刺激前的状态，从而可以再次的对传递过来的信号做出应答调节。而这个磷酸化酶可以是组氨酸激酶本身，也可以是应答调节子，或者是一个其它的蛋白。

现在很多基因家族均由DNA序列来鉴定，而双组分系统就是最早用这种方法验证出来的基因之一。自然界中存在着各种各样的双组分系统，人们对各种双组分系统作了很多研究，特别是那些对细胞生理、信息传递、个体生长和在细菌性病原体中表达毒力基因中有重要作用的已知功能的系统。比如NtrB/NtrC和PhoR/PhoB系统是这些系统中最早被验证的，它们分别控制氮的分解代谢基因和磷的吸收。计算机分析数据表明，Bradyrhizobium sp的NtrB和NtrC的序列在氨基酸水平上与其他几个调节蛋白类似。NtrB蛋白的C末端与CpxA、EnvZ和PhoR等蛋白的C末端有着广泛的一致性；而在NtrC的N末端与ArcA、OmpR、PhoB、CheB和CheY有着广泛的一致性。因此Nixon et al认为编码双组分系统的基因，它们在信导的过程中，是将环境信号从组氨酸激酶的C末端（包含大约240个氨基酸）传递到应答调节子的N末端，再传递到靶基因。以上信号传递的具体过程是：组氨酸激酶受到刺激后在C末端（这个区域称为传感区）的组氨酸残基上利用ATP做为磷酸根供体发生自磷酸化，然后将这个磷酸根传递给应答调节子N末端（这个区域称为接受区）的天门冬氨酸残基，这个过程激活了转录调节子，它再将信号传递给靶基因。

组氨酸激酶是一种跨膜蛋白，通常有1～2个跨膜区，以二聚体的形式起作用，并发生自体磷酸化。其有一个能够感受外界信号的输入模件(input module)，并与蛋白激酶的催化模件 (catalytic module) 相连接，这一结构特点使得组氨酸激酶能很灵敏地感受外界环境的变化。此外，每个组氨酸激酶分子都有一个由约240 个氨基酸残基组成的传递模件 (transmitter module)，该模件是自体磷酸化的作用部位，磷酸化的位点一般是保守的His残基。

反应调节蛋白具有一个称为接受模件 (receiver module) 的结构域，大约由110 个氨基酸组成。Asp为磷酸化位点，还有一个输出结构域 (output domain)。这样信号转导就由信号输入、组氨酸自体磷酸化、反应调节蛋白磷酸化和信号输出组成。有些反应调节蛋白是转录因子，输出结构域作为DNA 模件与DNA 结合；接受模件则通过Asp 的磷酸化调节其自身的活性，从而决定它是与DNA 模件结合还是与转录机器的其他组分结合。但有的反应调节蛋白与转录无关，只是将外界信号继续向下传递，仅仅作为整个信号级联放大系统中的一个上游组分。

基于实验数据和蛋白质序列的相似性研究，大肠埃希氏菌被认为拥有31个不同的双组分调节系统（如图1-7）,如：ArcB/ArcA、PhoR/PhoB、UhpB/UhpA、NtrB/NtrC、AtoS/AtoC、BaeS/BaeR、BarA/UvrY、CpxA/CpxR、CreC/CreB、CusS/CusR、DcuS/DcuR、EnvZ/OmpR、KdpD/KdpE等，这些系统中有许多功能仍未明确，并且，就是那些被十分彻底的研究的系统除现在已知的功能外可能也还有一些未被发现的功能。在这些双组分调节系统中，大部分都不是仅仅只有一个调节因子，一些具有很高的多效性。

Two component system of Escherichia coli k-12 MG1655