细胞发育生物学课程论文

两组分系统概述

【内容提要】双组份系统是细菌主要的信号转导系统，细菌可以通过双组份系统感知包括物理、化学、生物在内的多种环境变化。双组份系统主要参与对细菌的趋化性，群体感应，等多种生理生化反应的调控。典型的两组分系统由感应蛋白（SK）和调节蛋白（RR）组成，他可以通过两个蛋白的磷酸化和去磷酸化来感知并传导信号。本文主要就两组分系统的基本结构，反应机制，主要功能等方面对两组分系统进行简要说明。

【关键词】两组分系统 基本结构 反应机制 主要功能

细菌是地球上最多变、适应性最强的有机体，它能够在动植物无法存活的环境生长。为应对不同的环境变化，细菌演化出多种细胞信号转导途径，其中磷酸化和去磷酸化在生物体中广泛存在，其过程由不同激酶催化完成。 几乎所有细胞都利用磷酸化介导的信号转导机制来应对代谢，以及环境和细胞周期等变化。细菌主要利用二元系统来调节细菌信号转导过程。细菌的二元系统主要由两部分构成，一是由组氨酸激酶构成的感应蛋白，二是可以被感应蛋白磷酸化的调节蛋白。两组分系统参与调控pH变化、趋化性、孢子形成、细胞分裂、生物膜形成等多种生理生化过程以适应环境的变化。

一：两组分系统的发现

两组分系统是在1986年的时候，Ninfa和Magasnik在研究大肠埃希氏菌氮调节蛋白系统(nit rogenregulatory protein，NR)时发现的，该系统可以调节大肠埃希氏菌在应对外来氮源变化时一些基因的表达。与此同时，Ausubel及其同事发现在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。 随着以后的研究越来越深入，研究者们发现，两组分系统是一种信号转导系统，它广泛存在于原核生物中。近年来，在真菌，古生菌以及植物中都有发现。

二：两组分系统的基本构成

经典的两组分系统主要由组氨酸蛋白激酶（Histidine Protein Kinase, HK）和应答调控蛋白（Response Regulator Protein, RR）组成，也因此而得名。HK感受到外界环境中的信号后，可以自发的使自身的蛋白的组氨酸被磷酸化，然后HK可以把这个磷酸基团传递到RR中的天冬氨酸上，使RR被磷酸化，进而调节下游一些基因的表达。整个双组份系统信号通路由信号输入(input)、HPK自身磷酸化、RR磷酸化及输出(output)等环节构成。

除了经典模型以外，还有非经典的双组份系统。非经典系统需要多步骤磷酸接力传递(Phosphorelay)过程，磷酸接力传递过程需要在多个His和Asp残基之间交替进行(His—Asp—His—Asp)，因此必须有另外的磷酸基接受器和含组氨酸的磷酸转移结构域

(Histidine phosphotransferdomain，HPt)参与。非典型双组份调控系统有两种类型，一类是感受子蛋白基因或调节子蛋白基因单独存在，在信号转导过程中，再配对组合。另一类则是感受子功能域与调节子功能域位于同一蛋白质内，即组氨酸激酶-响应调节子功能域杂合蛋白（histidine kinase/response regulator hybrid protein），由一个开放阅读框编码。

1.组氨酸激酶（HK）

HPK是一个跨膜蛋白，通常有1～2个跨膜片段。它是是细菌感应各种环境变化必需的，通常是作为由两个单体组成的同源二聚体蛋白发挥作用。每个单体含有一个可变的传感器结构域（sensor domain）和一个保守的传递器结构域（transmitter domain），两个跨膜结构域通过一个α螺旋相连。其传感器结构域可以敏锐地感应环境变化，并将信号传递到细胞质传递器催化结构域，达到信号转导的目的。

据生化研究的结果可将HK分成三个主要类型，第一类HK最常见，组成经典的二元信号传导系统，典型的HK含有一个可变的N末端感受域和一个C末端核心区，也称传导结构域(Transmitter)。传导结构域包括含组氨酸的二聚体结构域(Dimerizationdomain，or phosphotransfer domain)和ATP结合激酶结构域(ATP2bindingkinase domain)。第二类是所谓的杂合激酶(Hybrid．kinase)，它除了具有典型的HK所含有的基本结构外，尚同时含有一个磷酸接受结构域(Phosphor2aceptingdomain)和一个含组氨酸的磷酸转移结构域(HPt) 第三类是胞浆HK，胞浆HK是杂合激酶的一种特殊类型，专门与趋化性有关，其本身并不是膜蛋白，但与膜受体蛋白相连接。

HK在催化反应方面有两个不同于其他蛋白激酶的特点：一个是HK不是直接将Pi从ATP转移到底物(RR)，而是先进行自身磷酸化，然后再从HPK。Pi中将Pi转移至RR；另一个是HPK的自身磷酸化位点是His残基，RR磷酸化位点是Asp残基，两者构成His-Asp接力(His-Asprelay)。

2．调节蛋白（RR）

调节蛋白一般都位于细胞质中,含有一个或多个保守的Ｎ 端接受器结构域（receiver domain）或输入结构域（input domain）和可变的C端效应器结构域（effector domain ）或输出结构域（output domain）。整体结构体现了接受器结构域保守的氨基酸序列。N-末端接受区域包含信号传递所需的磷酸化位点，即保守的天冬氨酸残基（Asp，D）。接受器

结构域有三种活性：①它们与磷酸化的组氨酸激酶相互作用，并将磷酸基团转移到天冬氨酸残基上；②催化自身磷酸化反应，③调控磷酸依赖的效应器结构域的活性。C-末端输出区域包含OmpR、LytR、FixJ 型等很多不同的类型，可以据此对RR进行分类。少数C-末端输出区域具有与酶相近的催化功能。还有一些是在多步磷酸化中起转移磷酸基团的作用。在多步磷酸化反应中，反应调控蛋白含有多个接受器结构域，一组接受器结构域作为磷酸化介导的开关，另一组在组氨酸激酶和组氨酸磷酸转移酶（HPts）携带有磷酸基团。

在大多数情况下，RR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磷酸化调节着它的活力，指导着它是结合DNA靶序列，还是与转录机器的其他组分相结合。然而需要指出的是，尽管大多数RR是作为转录因子起作用的，但还有许多RR与转录无关。

三：两组分系统的反应机制。

双组分信号转导系统种类很多，除了常见的经典型外，还存在复杂型和杂合型，但是它们信号传导的方式十分相似。

首先，HK上的传感器结构域可以感知环境刺激变化并迅速二聚化，HK活性发生改变，ATP水解催化其His二聚结构域中His残基的磷酸化，然后RR又催化磷酸根基团从HK的His上转移到自身的Asp残基上，磷酸化了的RR效应器结构域被激活，可以作为转录调节因子调节特定基因的表达，从而对环境信号作出响应。两种蛋白通过磷酸转移反应，将组氨酸激酶传递器结构域中组氨酸残基上的磷酸基团转移到反应调控蛋白中磷酸接受器结构域的天门冬氨酸残基上，这个反应要求在组氨酸激酶的磷酸化结构域和反应调控蛋白的磷酸接收器结构域之间形成一个精确的瞬时复合物。另外还有一个更加复杂的His-Asp-His-Asp的磷酸传递过程，这个过程包括多步的磷酸化转移，而且需要His磷酸转移蛋白(His-containing phosphotransfer，HPt)作为辅助蛋白。传感器蛋白的磷酸酶活性是依赖于ATP的，ATP是作为辅助因子起作用的，可能是作为构象效应物。

四：两组分系统的主要生理功能。

两组分系统参与调控pH变化、趋化性、抗逆性致病性、群体感应，孢子形成、细胞分裂、生物膜形成等多种生理生化过程以适应环境的变化。

EnvZ／OmpR是研究最多的一个双成分调节系统，该系统在感受渗透胁迫信号、调节细胞渗透势等方面起重要的作用，它控制着OmpF和OmpC两个孔蛋白的表达和另外一些与渗透压相关的基因，最终影响物质的跨膜运输和调节细胞对渗透胁迫的响应过程。

大肠杆菌中的CpxA-CpxR和EnvZ-OmpR是与渗透调节相关的双组分系统，序列相似性很高，组氨酸激酶CpxA和EnvZ分别控制反应调控蛋白CpxR和OmpR的磷酸化状态，体外实验证明，CpxA和OmpR能发生交叉调控，但在组氨酸激酶EnvZ和CpxR存在时能抑制交叉调控。

CpxA／CpxR双组分系统是由内膜上的感受器CpxA(HK)和位于细胞质内的同源的效应蛋白CpxR组成的。在大肠埃希氏菌的胞膜刺激的应激中起着重要的作用。它可以提高细菌对恶劣环境的适应能力，损害细菌的粘附能力，并且加速一些蛋白的折叠与降解。

ColR-ColS是在假单胞菌属中发现的一个典型的双组分系统，它的功能在4株不同的假单胞菌中差异显著。ColRS作为一个控制细菌根际定植能力的重要成分在Pseudomonas fluorescensWCS365和Pseudomonas putidaKT2440中得到了证实；在Pseudomonas putidaPAW85中，ColRS在饥饿的条件下控制内生转座子Tn4652的转座频率；在

PseudomonasputidaCD2中，ColRS可以控制金属离子的抗性，特别是锰离子的抗性。

沙门氏菌PhoQ-PhoP和PmrB-PmrA是调节镁离子和铁离子相关的双组分系统。细胞处于低镁离子条件下时，能够激活pmrD等一系列基因的表达，PmrD作为一个辅助蛋白，将

PhoQ-PhoP和PmrB-PmrA连接起来。PhoQ-PhoP激活pmrD的转录，PmrD结合到磷酸化的PmrA上，通过组氨酸激酶PmrB抑制去磷酸化，调节细胞的铁离子。

十字花科黑腐病菌8004菌株的XC2129基因编码一个双组份杂合蛋白，该蛋白在该菌的胞外水解酶类的产生和致病方面发挥重要作用。

两组分调节系统在细菌中普遍存在，细菌信号系统经常由通讯元件即促进蛋白质间或蛋白质内信息转移的结构域所构建，这些通讯元件（传递元件和接收元件）可能是古老的元件，由于它们在不同信号场合下的实用性，他们广泛地分布于原核生物界。近几年，研究人员发现在酵母菌，古生菌和植物中也都发现了类似细菌的两组分系统的同源物，说明这种信号转导机制在真核和原核中可能同样重要。

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