General Stress Response Flashcards
Welches Gen ist mit dem general stress response verbunden?
Gen RpoS, welches Sigmafaktor Sigma-38 codiert. Das Protein, welches in E.coli gefunden wird reguliert die Transkription in Bakterien
Welche offensive strategies to nutrient limitation gibt es?
- Carbon uptake
- Carbon catabolite repression
- PTS Systems (PhosphoTransferaseSystem)
- cAMP
Was sind Beispiele für Stressoren?
Hunger, Antimicrobielle Substanzen, Hohe Osmolarität, Temperatur, …
Wofür steht TCS?
Two Component System
Was sind Alarmone?
- Alarmone können als AMP (AdenosinMonoPhosphat) -Spender dienen
- sie bei zellulärem Stress vermehrt gebildet werden.
- Alarmone bei Stress in deutlich erhöhten Konzentrationen in der Zelle zu finden sind.
- Signalgeber dienen und die Stressantwort der Zelle regulieren
Was macht ein TCS aus?
Das Two-Component-System besteht aus zwei Hauptkomponenten:
- Sensor-Kinase (Histidin-Kinase): Die Sensor-Kinase ist ein Transmembranprotein, das in der Zellmembran verankert ist. Sie enthält eine externe Domäne, die auf bestimmte Umweltsignale reagiert, z. B. auf Änderungen des pH-Werts, der Ionenkonzentration, des Sauerstoffgehalts oder auf die Anwesenheit spezifischer Moleküle. Wenn diese externe Domäne ein Signal erkennt, wird die Sensor-Kinase aktiviert.
- Response-Regulator: Der Response-Regulator ist ein Protein, das im Zytoplasma liegt und von der aktivierten Sensor-Kinase phosphoryliert wird. Die Phosphorylierung ändert die Struktur des Response-Regulators und verleiht ihm eine neue Funktion. Phosphorylierte Response-Regulatoren wirken als Transkriptionsfaktoren, die die Expression bestimmter Gene regulieren. Sie binden an die Promotorregionen der Zielgene und beeinflussen somit die Transkription dieser Gene.
Der Mechanismus des Two-Component-Systems läuft wie folgt ab:
- Ein externes Signal (z. B. eine Veränderung der Umweltbedingungen) wird von der Sensor-Kinase erkannt.
- Die Sensor-Kinase wird daraufhin selbst phosphoryliert (Autophosphorylierung) und überträgt die Phosphatgruppe auf den Response-Regulator.
- Der phosphorylierte Response-Regulator bindet an spezifische Zielgene und reguliert deren Transkription.
- Die regulierten Gene werden transkribiert und führen zu einer zellulären Antwort auf das erkannte Umweltsignal.
Das Two-Component-System ermöglicht es den Mikroorganismen, schnell und effizient auf Umweltveränderungen zu reagieren und ihre Überlebensfähigkeit in wechselnden Bedingungen zu gewährleisten. Es spielt eine entscheidende Rolle in verschiedenen zellulären Prozessen, darunter die Anpassung an Stressbedingungen, die Chemotaxis (Bewegung in Richtung oder weg von bestimmten Substanzen) und die Regulation der Virulenz bei pathogenen Bakterien.
Wie läuft der molekulare Mechanismus der Adaption ab?
- Signal vom Stress wird gesenst
- Zusammenspiel aus TCS, Alarmonen, Sigmafaktoren und Transkriptionsfaktoren lösen eine spezifische Genexpression aus
- Der Organismus kann Überleben und wachsen
Was sind Eigenschaften von Alarmonen?
- Low molecular, intracellular compound
- Nucleotide derivatives
- Production under decent environmental changes
- fast production allows a fast response to a decent environmental condition
- fast degradation speeds up regulation
Was sind Beispiele für Alarmone?
cAMP (mit Adenin bzw Adenosin)
c-di-GMP (mit Guanin bzw Guanosin)
pppGpp (mit Guanin)
Was sind Eigenschaften von RpoS (Sigma-S und Sigma- 38)?
- Alternativer Sigma-Faktor
- 37,8 kDa (in E.coli)
- Reguliert Gene der stationären Phase
- Zentraler Regulator der Stress-Sntwort
- Die Produktion ist in der späten exponentialphase erhöht als Antwort auf verschiedene Stressoren
Was sind die Hauptfunktionen von RpoS?
- Überleben in Stresssituationen
- Vorbereitung für zukünftigen Stress
Welche Stressoren wirken bei der Regulierung von RpoS auf die Transkription?
- Slow growth
- high cell density
- Nutrition starvation (C,N, P, aa)
alle begünstigen die Transkription von rpo S mRNA
Mehr: ppGpp und BarA/UvrY
Weniger: cAMP-CRP und ArcA
Welche Stressoren wirken bei der Regulation von RpoS auf die Translation aus?
Translation begünstigend:
- Hohe Zelldichte
- Niedrige Temperatur (unter 30°C)
- Hohe Osmolarität
- sauerer pH
inhibierend:
- H2O2 (Wasserstoffperoxid)
Mehr: Hfq, DsrA, RprA, ArcZ,
Weniger: OxyS, RNaseII
Welche Stressoren wirken bei der Regulierung von RpoS auf die Proteolyse?
Hemmend:
- Nutrient starvation (C,N,P,aa)
- Hohe Osmolarität
- sauerer pH (niedriger)
- H2O2 (Wasserstoffperoxid)
- Energy limitation
- Heat shock
- UV/DNA damage
Welche sind die Sigma-S-dependent genes, die expressiert werden, wenn RpoS an die RNAP bindet?
- stress resistance
- morphology
- metabolismus
- virulence
- lysis
Welche sind die verschiedenen Level auf denen die Regulierung der Stressantwort erfolgen kann ?
- Transkriptional (TF’s)
- Post-transcriptional/translational (regulatory small RNAs, RNase)
- Post-translational (proteases, adaptor/anti-adaptor proteins)
- Competition for RNAP binding
Wie unterstützen die sRNA-Moleküle DsrA, RprA und ArcZ die Translation von RpoS
Die Translation von rpoS ist geblockt, weil das Stopcodon im loop gefangen ist. mRNA ist geblockt durch eine intramolekulare hairpin Struktur.
- Bindung der sRNA öffnet die Haipin-Struktur»_space; Translation kann erfolgen
- Die Expression verschiedener sRNA entsteht durch verschiedene Stresssituationen
» verschiedene Stresssituationen begünstigen Translation von RpoS mRNA
Wie stabilisieren Anti-Adapter Proteine RpoS?
- öffnen Hairpin für die bessere Translation der RpoS RNA
- binden und inaktivieren RssB, welches die Degradierung von RpoS einleitet/angibt
Wie kann die Reaktion zu Nutrient-Limitation sein?
offensiv:
- optimaler Verbrauch von Nutrients
- Nutzung von alternativen Substraten
defensiv:
- Stress-Vorbereitung (Reduzieren von energiereichen Prozessen wie z.B sekundäre Metabolismen, Replikation, Zellteilung, etc.)
- Überleben
Auf welchen Leveln kann die Gene-Regulierung sein (vor allem bei Nutrient Limitation)?
individuell:
- Aktivierung oder Repression von einzelne Genen oder Operons
global:
- Aktivierung von gesamten Regulons/Stimulons um gesamten zellulären Life Cycle zu verändern
Wie wird Kohlenstoff Aufgenommen und Verbraucht
- Transport über die Membran durch:
- PTS (PEP-dependent phosphotransferase System) PEP=Phosphoenolpyruvate
- MFS (major facilitator superfamily)
- ABC = ATP-driven ABC transporter (ATP-Bindenede Cassetten-Transporter)
- Aktivierung durch Phosphorylierung
> > Bereit für Glycolyse
Wie viel PTS, MFS und ABC Systeme gibt es in E. coli?
3 PTS
1 MFS
1 ABC
Was sind 3 offensive strategies to nutrient limitation
- Phosphoenolpyruvate (PEP) dependent carbohydrate phosphotransferase system (PTS)
- Carbon catabolite repression (CCR)
- Inducer exclusion
Was macht die Offensive Strategie to nutrient Limitation PEP dependet PTS aus?
- Responsible for uptake and phosphorylation of carbohydrates
- Regulatory function in carbon catabolite repression and inducer exclusion
Was macht die Offensive Strategie to nutrient Limitation CCR aus?
- Allows the use of a preferable carbon source when exposed to more than one
carbohydrate - Complex regulatory system mediated via several mechanisms
- Typically mediated by components of the PTS system
Was macht die Offensive Strategie to nutrient Limitation inducer exclusion aus?
- Inhibition of the uptake of a less preferable carbon source or the
corresponding inducer in the presence of a more preferable carbon source - Major CCR mechanisms in Enterobacteriaceae (e.g. E. coli)
Was ist das generelle Prinzip des PTS Systems in E.coli?
Glucose wird Phosporiliert durch
4 Schritt Phosphorilierungs-Kaskade:
- ersten 2 Schritte sind unspezifisch die letzten 2 spezifisch
Beginn: PEP zu Pyruvate»_space; EI +P»_space; HPr +P»_space; EIIA +P»_space;EIIB +P»_space; Mit EIIC hat Glucose P
Was sind Beispiele für PTS Zucker und Non-PTS-Zucker?
PTS Zucker:
- Glucose
- Mannose
- Fructose
- Trehalose
- Mannitol
- GluNAC
Non-PTS Zucker:
- Lactose
- Maltose
- Arabinose - Galactose - Ribose
- Xylose
Was passiert wenn die viele PTS-Zucker zur Verfügung sind und wenn wenige zur Verfügung sind?
PTS sugars available:
- Sugar uptake and metabolization
- Low PEP/pyruvate ratio
- Enzymes are dephosphorylated
No PTS sugar available:
- High PEP/pyruvate ratio
- Enzymes are phosphorylated
Ist das PTS System anders bei B. subtiles? (im Gegensatz zu E.coli)
Ja, grobe Struktur ist aber die selbe. Ist HPr reguliert und nicht EnzIIa (für CCR und Inducer Exclusion)
Wo ist der Unterschied zwischen AMP und cAMP?
cAMP ist ein Derivat von AMP, bei dem das 5’-Phosphat mit der 3’-OH-Gruppe der Ribose verknüpft ist, wodurch sich ein Ringschluss ergibt.
cAMP reichert sich in der Zelle an, wenn wenig Energie zur Verfügung steht (geringer Energiehaushalt)
Wie läuft die cAMP Synthese nach dem Glucose-Hunger aus in E. coli?
PEP zu Pyruvat: Phosphorilierungskaskade
EI»_space; HPr»_space; EIII»_space; Adenylat cyclase»_space; ATP wird zu cAMP + PPi
cAMP + CRP (cAMP Receptor Protein)»_space; CRP-cAMP
Was macht CRP-cAMP?
Der Komplex bindet spezifisch an Sequenzen auf der DNA und modifiziert ihre Transkription, indem er gewöhnlich als Aktivator wirkt
Wie sieht die Regulierung der Lactose Nutzung in E.coli aus, wenn Glucose und Lactose present sind?
- The PTS system is active in glucose uptake
» EIIA is in an unphosphorylated state
» EIIA represses lactose uptake via LacY
» no formation of allolactose
» inducer exclusion
» EIIA cannot activate adenylate cyclase
» no cAMP formation
» catabolite repression
Wie sieht die Regulierung der Lactose Nutzung in E.coli aus, wenn keine Glucose und nur Lactose present ist?
- The PTS system is inactive in glucose uptake
» EIIA is in a phosphorylated state
» EIIA-P cannot represses lactose uptake via LacY
» formation of allolactose
» induction
» EIIA-P activates adenylate cyclase
» cAMP formation
» no catabolite repression
Was besagt die stringent response?
- Qualität der Proteinsynthese ist abhängig von Metaboliten und TF’s, welche die mRNA Synthese kontrollieren
- Die Qualität der Proteinsynthese ist abhängig von AS Verfügbarkeit, welche die rRNA Synthese controlliert
- Auxotrophe Bakterien (welche, die Substrate aufnehmen müssen fürs überleben, die sie selber nicht produzieren) Mutanten stoppen mit der Synthese von rRNA aufgrund der Entfernung von einer äußerlichen (exogenen) Quelle dieser AS
Was passiert bei “Relax the stringency”?
2 E. colis des Met- - Strains werden kultiviert: ohne Met (Aminosäure Methionin) im Medium
- eine Kultur exprimiert rRNA garnicht (Transkription gestoppt)
- eine Kultur ist es egal und expremiert»_space; relaxed
“Strain 58-161 possesses a genetic character that relaxes the stringency of the amino acid control on RNA synthesis”
Was macht Stringent strains aus?
- stoppen rRNA Synthese sofort nach AS Entzug
- können Wachstum wieder schnell aufnehmen, sobald die AS vorhanden ist
Was macht relaxed Strains aus?
- führen rRNA Synthese fort trotz AS Entzug
- Verschlechterung der Physiologie
- Aufnahme von Wachstum kommt verspätet nach Ende des Hungers
Was wurde als stringency (Knappheit) factor gefunden und welche Fragen müssen beantwortet werden?
ppGpp
- Funktion von ppGpp
- Synthese von ppGpp
- Knappheit Antwort als globales Kontrolleur-Netzwerk
Zu welcher Familie gehört℗ppGpp?
ES IST EIN ALARMON
RSH Familie (RelA/SpoT-Homolougs)
- Synthese und Hydrolyse von ℗ppGpp
- Es gibt 3 Hauptgruppen der RSH protein Familie:
- Long RSH proteins
- SAS (Short alarmone synthetase)
- SAH (Short alarmone hydrolase)
Wie wird ℗ppGpp synthetisiert?
Durch RSH (RelA) wird eine (glaube 2) Pyrophosphat-Gruppe von ATP auf GTP Übertragen. Es entsteht pppGpp. Durch Protein Gpp entsteht dann ppGpp
Welche Synthesen werden bei unbeladenen tRNAs genutzt und welche bei Glucose-Mangel, Phosphat Limitierung, Eisen Limitierung?
AS bzw. stalled ribosome pathway: RelA
Glucose, Limitierungen: SpoT
Verteilung der RSH-Familie Proteine
- meisten Bakterien haben min. ein langes RSH Familien Protein
- Gram neg. Bakterien (außer Vibrio sp.) haben keine SAS noch SAH Protein
- Es gibt 2 lange RSH Proteine in alpha- und beta-Proteobakterien
- E. coli RelA hat keine Hydrolyse-Aktivität
- E. Soli SpoT hat nur eine schwache Synthese-Aktivität
- Gram pos. Bakterien codieren zwei SAS Proteine zusätzlich zu einem eifunktionalem langen RSH protein
Wie kann die ppGpp-Synthese reguliert werden?
- Transkriptionale Regulation
- relA expression in E.coli kann von 4 verschieden Promotern kontrolliert werden durch verschiedene transkriptionale Regulatoren
- Verschiedene Stressoren triggern die Expression verschiedener transkriptioneller Regulatoren
- Ligand-vermittelte-Regulierung
- Guanosin-Nukleotide erhöhen die Aktivität der Rel-Proteine
- Heterologe Protein-Interaktion
- Interaktion von RSH Proteinen mit anderen Proteinen oder der ribosme modulates ppGpp synthesis
Welche Funktionen hat ppGpp?
Stress»_space; Konformationsänderung und HD(off)SYNTH(on)»_space; aktives ℗ppGpp
metabolische Effekts:
blockiert:
- DNA Replikation
- Purin Synthese
- Zellwand Synthese
- Lipid Synthese
- Proteinsynthese
Genexpressions Effekts:
blockiert:
- rRNA und tRNA
- Wachstumsgene
enhanced:
- Aminosäure-Synthese
- stat. Phase Gene
- Virulente Gene
- alternative Sigma-Faktoren
Wie bindet ppGpp and die RNAP?
(p)ppGpp binds to a binding site at b’ and w
Allosteric effect on the Mg2+ binding site regulates the catalytic activity of RNAP
Binding at the shelf-core can modulate transcription progression
ppGpp effects can be enhanced by DksA
DksA and ppGpp bind on opposing sites of RNAP
DksA blocks the secondary channel of RNAP thus preventing nucleotides from reaching the active site
DksA alters RNAP structure and makes the enzyme more sensitive to ppGpp binding
Welche Antworten folgen bei folgenden Bakterien, wenn Nährstoffmangel vorliegt?
(A) E. coli
(B) Myxococcus xanthus
© Caulobacter crescentes
(D) Mycobacterium tuberculosis
(A) Growth arrest and stress respond (high pppGpp
(B) Fruiting body and spore development
© Growth arrest - preferentially in swarmer cells - and stress respond
(D) Persistence, stress response and growth arrest
Welche Folgen sind zu erkennen bei hungernden Wild Type und bei bei hungernden relaxed Strains?
Starved WT
- Reduction of GTP synthesis to slow down cellular processes
- Reduction of cell size allows to maintain membrane integrity
- Reduction of protein synthesis and blockage of replication prevents errors
» Long term viability maintained
Starved relaxed strains
- Loss of membrane potential and integrity due to lack of fatty acids
- Replication forks are stalled or collapse due to lack of nucleotides
- Protein synthesis is error-prone or premature terminated due to lack of amino acids
- Cells are more sensitive to ROS
» Reduced long-term viability, cell death
Was ist c-di-GMP?
Ein second messenger der bei -Signaltransduktionen verwendet wird
- das Konz-Level reguliert den bakteriellen Lifestyle (free-living vs. biofilm)
- internes Level von c-di-GMP ist balanciert durch Diguanylat Cyclasen und Phosphodiesterasen
- Bindung an Rezeptorziele stimuliert die Biofilmbildung und unterdrückt die Fortbewegung
- Bindung von GTP an seine Rezeptoren unterdrückt Biofilmproduktion und stimuliert Bewegung
- GTP-Bindungen erhöhen c-di-GMP-abbauende Aktivität der PDE, wodurch der c-di-GMP-Spiegel sinkt
Was sind Phosphodiesterasen?
PDE sind eine Gruppe von Enzymen, die die second Messenger cAMP und cGMP abbauen. Sie sind aus der Gruppe der Hydrolysen und spalten Phosphodiesterbindungen.
Was ist die Zusammenfassung von Stress Situationen und Nutrient Stress?
- Die mikrobielle Reaktion auf Nährstoffstress und -begrenzung ist eine Kombination aus offensiven und defensiven Überlebensstrategien
- Diese Stressreaktionen werden durch sekundäre Regulatoren wie kleine Moleküle (Alarmone) wie cAMP, (p)ppGpp oder c-di-GMP und den Sigma-Faktor RpoS vermittelt
- Die verschiedenen Reaktionssysteme sind eng miteinander verknüpft, was die Bewertung ihrer spezifischen Reaktion schwierig macht.
