Bakteriális kemotaxis

Bakteriális kemotaxisBakteriális kemotaxis

Kurzusvezető:Kurzusvezető:Dr. Kőhidai LászlóDr. Kőhidai László

2012.2012.

A kemotaxis során A kemotaxis során megfigyelhető eltérőmegfigyelhető eltérőmozgási formákmozgási formákértelmezéseértelmezése

A baktérium ostor - 12-30nm A baktérium ostor - 12-30nm

monotrich

lopotrich

peritrich

Felépítő protein: flagellin (53.000) pentahelikális felépítés gyors regeneráció (3-6 perc)

55

statorstator

rotorrotor

„„hook”hook”

ostorostor

SS

LL

PP

MM

22.5 nm22.5 nm

27 nm27 nm

A baktérium ostor bazális testének A baktérium ostor bazális testének szerkezeteszerkezete

CCWCCW

CWCW

A baktérium ostor rotációjánakA baktérium ostor rotációjánakiránya és a mozgás-típusokiránya és a mozgás-típusokközötti összefüggésközötti összefüggés

tumblingtumbling

R M BerryR M Berry::Torque and switching in the bacterial flagellar motor. An Torque and switching in the bacterial flagellar motor. An electrostatic model. electrostatic model. Biophys J. 1993 April; 64(4): 961–973Biophys J. 1993 April; 64(4): 961–973

Gradiens Gradiens Egyenes szakaszok hossza Egyenes szakaszok hossza Tumbling számTumbling szám

Gradiens Gradiens Egyenes szakaszok hossza Egyenes szakaszok hossza Tumbling számTumbling szám

E. COLIE. COLI

E. COLIE. COLI

A bakteriális kemotaxis és adaptációA bakteriális kemotaxis és adaptáció

A sejtek mozgására A sejtek mozgására nem csupánnem csupán a koncentráció-grádiens a koncentráció-grádiensváltozása hatváltozása hat

Az Az adaptációsadaptációs mechanizmusok megléte e sejtek mechanizmusok megléte e sejtek „„primitív” memóriájánakprimitív” memóriájának létélre utal. létélre utal. !!

periplazmikusperiplazmikuskötő/szállítókötő/szállítómolekulákmolekulák

cukrokcukrok dipeptidekdipeptidek aminosavakaminosavak

kemotaxiskemotaxisreceptporokreceptporok

intracellulláris szignalizációs útintracellulláris szignalizációs út

Bakteriális cheotaxis receptorok kimutatásaBakteriális cheotaxis receptorok kimutatása

receptorreceptor

osztódási gyűrűosztódási gyűrű

Aszpartát receptorAszpartát receptor

ligandkötő-helyligandkötő-hely

„„coiled-coil” domaincoiled-coil” domain

metilációs helyekmetilációs helyek

szignáltovábbító részszignáltovábbító rész

CCOO

OOCC

OO

OO

ligandkötő helyligandkötő hely

metilációs helymetilációs hely8 db8 db

szignál továbbító részszignál továbbító részalap-aktivitásbanalap-aktivitásban

Asp receptor részeiAsp receptor részei

CCOO

OOCC

OO

OO

CCOO

OOCC

OO

OOCC

OO

OOCC

OO

OOCHCH33CHCH33

Asp kemotaxis receptor metilációjaAsp kemotaxis receptor metilációja

metiltranszferázmetiltranszferáz

metilészterázmetilészteráz

CheA-P + CheYCheA-P + CheY CheY-P+ CheACheY-P+ CheA

CheACheA CheA-PCheA-P

CheY-P + CheZ CheY-P + CheZ CheY + PCheY + Pii

CW rotációCW rotáció„„tumbling”tumbling”

MgMg2+2+

MgMg2+2+

CheW , CheB-PCheW , CheB-P

Repellens molekulaRepellens molekula

200 ms200 ms

CheA aktivitásCheA aktivitás

CheY-P mennyiségCheY-P mennyiség

HH++ vándorlási iránya az ostor vándorlási iránya az ostor motor régiójában megfordul motor régiójában megfordul

CCW rotációCCW rotáció„„úszás”úszás”

Attraktáns molekulaAttraktáns molekula

TTapapTTrgrg TTsrsr TTarar

dipeptidekdipeptidekgalaktózgalaktóz

ribózribózLeu, SerLeu, Ser NiNi2+2+, Asp, Asp

CheRCheR

CheB-PCheB-P

CheBCheB

CheACheA

CheA-PCheA-P CheYCheY

CheY-PCheY-P

CheWCheW

CheZCheZ

MOTORMOTOR

MalEMalE

RbsBRbsB

MglBMglB

DppADppA

SerSer

AspAsp

MaltózMaltóz

RibózRibóz

D-GalD-Gal

DipeptidDipeptid

GázokGázok

TsrTsr

TarTar

TrgTrg

TapTap

AerAer

CheACheACheWCheW

CheRCheR

CheBCheB

CheYCheY

CheZCheZ

FliGFliGFliMFliMFliNFliN

MotA =MotBMotA =MotB

+m+m

-m-m

+P+P

+P+P

-P-P

m = metilációm = metilációP = foszforilációP = foszforiláció

CHCH33

CheB-PCheB-P

CheBCheB

CheACheA

CheACheA

Che A-PChe A-P CheYCheY

CheY-PCheY-P

Repellens molekulákRepellens molekulák

ReceptorReceptor EffektorEffektor

CheA

CheW CheV -P

CheY

CheYCheCCheXFliYMotor app

CheZ

Pi

P-

PiSink

P-

CheB

H2O

Methanol

CheD

H2O

NH3

-P

ATP

ADP

-CH3CheR

SAM

Homocyst

L

A CheY szerkezeteA CheY szerkezete

A ChA - ChY komplexA ChA - ChY komplex

Baktérium legfontosabb Baktérium legfontosabb flagelláris proteinjeiflagelláris proteinjei

FlgK -FlgK - a „hook” régióa „hook” régió

FlgD-FlgD-hosszát szabályozzahosszát szabályozza FlgB, C, G - FlgB, C, G - összekötő „pálca”összekötő „pálca” FliF - FliF - M-gyűrűM-gyűrű Mot A - Mot A - Transzmembrán Transzmembrán

proton-csatornaproton-csatorna Mot B -Mot B - Kapcsoló fehérjeKapcsoló fehérje Fli G -Fli G - CheY-CheZCheY-CheZ

Fli M-Fli M- kapcsolatkapcsolat

Fli N-Fli N-

Flagelláris proteinekFlagelláris proteinek

Több operonon elhelyezkedő, 30-nál több génTöbb operonon elhelyezkedő, 30-nál több gén határozza meghatározza meg

Szintézisét, illetve expresszióját a Szintézisét, illetve expresszióját a Sigma 28Sigma 28 faktor faktor szabályozzaszabályozza

„ „Hook asszociált protein” (Hook asszociált protein” (HAPHAP) : ) : - a flagellin molekulák nukleációs helyét adja- a flagellin molekulák nukleációs helyét adja- növeli a mechanikai ellenállóképességet - növeli a mechanikai ellenállóképességet

Fő fajtái: Fő fajtái: Fli, Flg, FlhFli, Flg, Flh

A bakteriális kemotaxis proteinek jellemzéseA bakteriális kemotaxis proteinek jellemzése CheA - hisztidin autokináz CheA - hisztidin autokináz

P1P1 - 22 aminosav, nem gátlódó régió - 22 aminosav, nem gátlódó régióP2P2 - 25 aminosav, a CheY interakcióban - 25 aminosav, a CheY interakcióban

vesz résztvesz részt CheAL (long) -CheAL (long) - His48 His48 autofoszforilálódik, melyautofoszforilálódik, mely

része a CheY és CheB aktiválódási része a CheY és CheB aktiválódási folyamatánakfolyamatának

CheAL működése pH-függő. Optimális CheAL működése pH-függő. Optimális pH 8.1 - 8.9pH 8.1 - 8.9- ha a citopl. - ha a citopl. pH 7.6pH 7.6 alá csökken a alá csökken a Tar és TrgTar és Trg receptorokreceptorok továbbítanak szignált továbbítanak szignált

ChAS (short) - ChAS (short) - kináz aktivitássalkináz aktivitással rendelkező, de NEM rendelkező, de NEM autofoszforilálódó alegységautofoszforilálódó alegység

- aminoterminálisan 97 as. szekvencia- aminoterminálisan 97 as. szekvencia hiányzikhiányzik

CheA hyper kináz - pontmutáció a CheA hyper kináz - pontmutáció a Pro337Pro337-nél, -nél, melynekmelynek

következménye a foszforiláció következménye a foszforiláció sebességének sebességének növekedésenövekedése

A CheA a A CheA a CheVCheV foszforilációját is irányitja foszforilációját is irányitja

CheN -CheN - Bacillis substilisBacillis substilisban található és homológ ban található és homológ E. coliE. coli CheA-jával CheA-jával

A bakteriális kemotaxis proteinek jellemzéseA bakteriális kemotaxis proteinek jellemzése

A bakteriális kemotaxis proteinek jellemzéseA bakteriális kemotaxis proteinek jellemzése

CheY - CheY - 128 as.-ból áll, foszforilációját a 128 as.-ból áll, foszforilációját a konformációkonformációmegváltozásamegváltozása követi követiszámos pozícióban lévő as. helyzete változik,számos pozícióban lévő as. helyzete változik,pl.: 17, 21, 23, 39, 60, 63, 64, 66, 67, 68, 69,pl.: 17, 21, 23, 39, 60, 63, 64, 66, 67, 68, 69, 85, 86, 87, 88, 94, 107, 109, 112, 113, 114, 85, 86, 87, 88, 94, 107, 109, 112, 113, 114, 121121

A MgA Mg2+2+ jelenléte a CheY aktiválódásához elengedhetetlen jelenléte a CheY aktiválódásához elengedhetetlen MgMg2+2+ hatására a hatására a Lys109 - Asp 57Lys109 - Asp 57 közötti sókötés közötti sókötés felszakad, ez lehetővé teszi a molekulafelszakad, ez lehetővé teszi a molekula

foszforilációját foszforilációját

Metil-Accepting Chemotaxis proteinekMetil-Accepting Chemotaxis proteinek(MCP-k) jellemzése(MCP-k) jellemzése

MCP1 - Tsr, MCP2 - Tar, MCP3 - Trg, MCP4 - TapMCP1 - Tsr, MCP2 - Tar, MCP3 - Trg, MCP4 - Tap H1 - 97 kD pI 5.1; H2 - 86 kD pI 5.1; H3 - 76 kD pI 5.3H1 - 97 kD pI 5.1; H2 - 86 kD pI 5.1; H3 - 76 kD pI 5.3

DcrA - Hem tartalmú, 668 as.-ból álló, 2 hidrofóbDcrA - Hem tartalmú, 668 as.-ból álló, 2 hidrofób szekvenciát tartalmazó oxigén szenzor, szekvenciát tartalmazó oxigén szenzor, mely a redox-potenciál változásaira reagálmely a redox-potenciál változásaira reagál ((Desulfovibrio vulgarisDesulfovibrio vulgaris))

Tlpc - 30% homológiát mutat az E.coli MCP-jével;Tlpc - 30% homológiát mutat az E.coli MCP-jével;defgektusa esetén elmarad a pathológiás kemotaxisdefgektusa esetén elmarad a pathológiás kemotaxis


A metilációA metiláció táplálékmolekula-függő táplálékmolekula-függő folyamat (pl. E.coli) folyamat (pl. E.coli) Éheztetés hatásáraÉheztetés hatására egy 43kD-os, membrán-asszociált egy 43kD-os, membrán-asszociált

protein metilációja figyelhető meg;protein metilációja figyelhető meg;- táplálék molekulák jelenlétében a metiláció leáll - táplálék molekulák jelenlétében a metiláció leáll

A metilációs rendszer és a kemotaxis aktivációja A metilációs rendszer és a kemotaxis aktivációja közötti kapcsolat a kemotaxis receptorok, illetveközötti kapcsolat a kemotaxis receptorok, illetveszignalizációs folyamat alapvető szignalizációs folyamat alapvető evolúciós hátteréreevolúciós hátterére utal utal


MCP-k demetilálódásaMCP-k demetilálódása

AttraktánsAttraktáns MCPMCP--CHCH33

--CHCH33

CARRIERCARRIER--CHCH33

CARRIERCARRIER--CHCH33 Metanol Metanol + CARRIER+ CARRIERlassúlassú

gyorsgyors

A nem metilált intermedier A nem metilált intermedier „tumblingot”„tumblingot” idéz elő, idéz elő, majd kialakul az majd kialakul az ADAPTÁCIÓADAPTÁCIÓ

MCP-fluoreszcencia kimutatása eltérő MCP-fluoreszcencia kimutatása eltérő fenotípusú sejtekbenfenotípusú sejtekben

Adaptáció - TumblingAdaptáció - Tumbling

A sejtek elhelyezkedése optimális koncentrációtA sejtek elhelyezkedése optimális koncentrációtJelentő gyűrűkben - adaptációJelentő gyűrűkben - adaptáció

Ser gyűrűSer gyűrű

Asp gyűrűAsp gyűrű

Metiláció – Szénhidrát típusú ligandok hatásaMetiláció – Szénhidrát típusú ligandok hatása

Metiláció - időfüggésMetiláció - időfüggés

Kemotaxis - EvolúcióKemotaxis - Evolúció

Metil-transzferázok CheRMetil-transzferázok CheR

Homológia:Homológia:E.coli metil-transzferáza metilálja a Bac. subst. MCP-jétE.coli metil-transzferáza metilálja a Bac. subst. MCP-jét

Eltérés:Eltérés:Bac. subst. CheRB Bac. subst. CheRB Adaptáció repellensekhezAdaptáció repellensekhezE.coli CheREE.coli CheRE Adaptáció attraktánsokhozAdaptáció attraktánsokhoz

Metil-észterázok CheBMetil-észterázok CheBHomológia: Homológia:

Bac.subst. MCPBac.subst. MCPE.coli CheBE.coli CheB + + ATTRAKTÁNSATTRAKTÁNS DEMETILÁCIÓDEMETILÁCIÓ

Bac.subst. CheBBac.subst. CheBE.coli MCPE.coli MCP + + ATTRAKTÁNSATTRAKTÁNS DEMETILÁCIÓDEMETILÁCIÓ

A reakciók sebességét az MCP határozza megA reakciók sebességét az MCP határozza meg



Metil-transzferázok CheRMetil-transzferázok CheR

Homológia:Homológia:E.coli metil-transzferáza metilálja a Bac. subst. MCP-jétE.coli metil-transzferáza metilálja a Bac. subst. MCP-jét

Eltérés:Eltérés:Bac. subst. CheRB Bac. subst. CheRB Adaptáció repellensekhezAdaptáció repellensekhezE.coli CheREE.coli CheRE Adaptáció attraktánsokhozAdaptáció attraktánsokhoz

E. coliE. coli

B. subst. B. subst.

C. gelidaC. gelida

Methanol-képződésMethanol-képződés dinamizmusa és dinamizmusa és a ligandspecifitása ligandspecifitás


Bac.subst. CheYBac.subst. CheY E.coli CheAE.coli CheA

Bac.subst. CheY-PBac.subst. CheY-P E.coli CheZE.coli CheZ

CheY-PCheY-P

CheYCheY

Bac.subst. pozitív kemotaxis a esetén - CheY-PBac.subst. pozitív kemotaxis a esetén - CheY-P

E.coli pozitív kemotaxisa esetén - Chey-PE.coli pozitív kemotaxisa esetén - Chey-P

Bac.subst. és E. coli CheW 28.6% homológiaBac.subst. és E. coli CheW 28.6% homológiaBac. subst. CheB és E.coli CheY 36% homológiaBac. subst. CheB és E.coli CheY 36% homológiaBac. subst. és E. coli - M gyűrű és pálcaBac. subst. és E. coli - M gyűrű és pálca

CaCa2+2+ hatása baktériumok kemotaxisára hatása baktériumok kemotaxisára

Kimutatható egy 38kD-os CaKimutatható egy 38kD-os Ca2+2+-kötő fehérje-kötő fehérje

CaCa2+2+ csatorna gáltók (pl. verapamil, LaCl csatorna gáltók (pl. verapamil, LaCl33) )

a kemotaxis zavarát okozzáka kemotaxis zavarát okozzák

HH

P1 P2 P3 P4 P5P1 P2 P3 P4 P5

Foszforiláció RR-bdg. Dimer Katalít. CheW rec bdg.

Che A (kb. 650 AS)Che A (kb. 650 AS)

Che Y (kb. 120 AS)Che Y (kb. 120 AS)

NN CC

DD D T/S KDD D T/S K

Mg2+ bdg. Foszforiláció Katalít.

NN CC

Sigma faktorSigma faktor

Che ?Che ? Sigma28Sigma28 CheYCheY CheBCheBCheWCheWBas.testBas.test

A Sigma28 faktort kódoló gén egy 26 kb-os operon részeA Sigma28 faktort kódoló gén egy 26 kb-os operon része A flagellin, a „hook-asszociált protein” (HAP) ésA flagellin, a „hook-asszociált protein” (HAP) és egyes motor proteinek szintézisét szabályozó régió egyes motor proteinek szintézisét szabályozó régió Hiánya: paralizált flagellum; MCP hiányHiánya: paralizált flagellum; MCP hiány

Bakteriális chemotaxis mérése 3-csatornásBakteriális chemotaxis mérése 3-csatornás rendszerbenrendszerben

Documents

Bakteriális kemotaxis