Molecola del Mese
di David S. Goodsell
traduzione di Mauro Tonellato

Sistema a due Componenti


Molecola del Mese di Ottobre 2015
Parole chiave: sensori, istidina chinasi

Introduzione
I batteri sono in balia del loro ambiente, molto più di noi che possiamo sopportare senza gravi problemi sbalzi di temperatura o carenze di cibo e, infine, se le condizioni diventano insopportabili, possiamo andarcene altrove.
I batteri non possono fare altrettanto perchè sono molto piccoli e quando sono soggetti a grandi variazioni ambientali devono cercare di sopravvivere con quello che hanno. Per questo dispongono di decine di sensori per monitorare in continuazione l'ambiente circostante in modo da reagire rapidamente e nel modo migliore ad ogni nuovo evento.


Segnalare con due componenti
Nella maggior parte dei casi questo sistema di sensori è molto semplice ed è composto di due parti.
Il primo componente è una proteina che fa da sensore. E' costituita da un dominio in grado di sentire una particolare molecola. Quello mostrato qui a destra in alto (PDB 3by8), per esempio, sente piccoli nutrienti come l'acido malico (giallo).
Questo dominio è legato ad un secondo dominio, che comprende una chinasi (PDB 2c2a) che può fosforilare una speciale istidina (magenta) nel centro della proteina. Questa, a sua volta, può cedere il gruppo fosfato ad un aspartato di un secondo componente, un regolatore della risposta, che produce una speciale azione nella cellula. Quando il sensore è attivato, manda un segnale attraverso la proteina fino al dominio di chinasi, che aumenta o diminuisce il livello di fosforilazione del regolatore della risposta e così controlla la risposta adattativa.


Variazioni sul tema
Esaminando i sistemi a due componenti dei batteri, si trovano molte variazioni. Sono tutti costituiti da un insieme di parti simili: un sensore in ingresso, un regolatore della risposta in uscita, e un apparato di fosforilazione che connette i due sistemi. I dettagli, però, sono molto diversi per le varie esigenze. Alcuni, per esempio, sono completamente immersi nella cellula, mentre altri hanno un sensore fuori dalla cellula. Alcuni hanno un regolatore della risposta separato che porta il messaggio attraverso tutta la cellula. Altri hanno il regolatore incorporato nella catena che fa da sensore. Il meccanismo di comunicazione tra il sensore e la chinasi è ancora ignoto ed è oggetto di studi intensi. Alcuni ricercatori ipotizzano un movimento a forbice che si trasmette lungo la proteina, mentre altri propongono un movimento a pistone.







Regolare la risposta

Dopo che il segnale è arrivato, un regolatore della risposta trasmette il segnale all'interno della cellula. Spesso il regolatore della risposta è una proteina legata al DNA. Quando viene aggiunto un fosfato, la proteina aumenta i suoi legami col DNA e così modifica la trascrizione dei geni che sono coinvolti nella risposta.
Per esempio, la struttura PDB 1kgs ci mostra la forma inattiva, non fosforilata di un regolatore di risposta.
Le strutture PDB 1gxp e 1zes, invece, mostrano la forma attivata di un regolatore simile legato al DNA.
Altri regolatori, comunque, agiscono in modi del tutto diversi, per esempio legandosi all'RNA, funzionando da enzimi, o legandosi ad altre proteine, insomma fanno l'azione che induce la risposta più conveniente.

Esplorando la struttura
La struttura PDB 3dge ci mostra il passaggio del segnale dalla proteina sensore al regolatore di risposta. Si vedono due copie del regolatore di risposta (verde) legate alla proteina sensore (blu) che mantengono l'aspartato chiave del regolatore vicino alla istidina chiave sulla proteina sensore (entrambi mostrati con piccole sfere). La struttura include anche un gruppo solfato (giallo) che si trova nella posizione occupata dal gruppo fosfato che di solito viene trasferito.














Spunti per Ulteriori Esplorazioni

La proteina sensore è molto flessibile, si piega quando sente la sua molecola bersaglio e permette al dominio di chinasi di fosforilare l'istidina. La struttura PDB 4biv mostra questo processo: la catena A ha il dominio di chinasi in una conformazione inattiva, mentre la catena B ha il dominio di chinasi vicino all'istidina 248, pronto per fosforilarla.
Dato che le proteine del sistema a due componenti sono modulari, i ricercatori hanno provato a romperle in frammenti per determinarne la struttura: Potete usare la "Protein Feature View" per vedere come questi pezzi calzano nella struttura completa della proteina. Per esempio, esplorate la proteina regolatore di risposta PhoB.

Bibliografia
R. Gao & A. M. Stock (2010) Molecular strategies for phosphorylation-mediated regulation of response regulator activity. Current Opinion in Microbiology 13, 160- 167.
T. Krell, J. Lacal, A. Busch, H. Silva-Jimenez, M. E. Guazzaroni & J. L. Ramos (2010) Bacterial sensor kinases: diversity in the recognition of environmental signals. Annual Review of Microbiology 64, 539-559.
3dge: P. Casino, V. Rubio & A. Marina (2009) Structural insight into partner specificity and phosphoryl transfer in two-component signal transduction. Cell 139, 325-336.
R. Gao & A. M. Stock (2009) Biological insights from structures of two-component proteins. Annual Review of Microbiology 63, 133-154.
3by8: J. Cheung & W. A. Hendrickson (2008) Crystal structures of C4-dicarboxylate ligand complexes with sensor domains of histidine kinases DcuS and DctB. Journal of Biological Chemistry 283, 30256-30265.
1zes: P. Bachhawat, G. V. T. Swapna, G. T. Montelione & A. M. Stock (2005) Mechanism of activation for transcription factor PhoB suggested by different modes of dimerization in the inactive and active states. Structure 13, 1353-1363.
2c2a: A. Marina, C. D. Waldburger & W. A. Hendrickson (2005) Structure of the entire cytoplasmic portion of a sensor histidine-kinase protein. EMBO Journal 24, 4247-4259.
1gxp: A. G. Blanco, M. Sola, F. X. Gomis-Ruth & M. Coll (2002) Tandem DNA recognition by PhoB, a two-component signal transduction transcriptional activator. Structure 10, 701-713.
1kgs: D. R. Buckler, Y. Zhou & A. M. Stock (2002) Evidence of intradomain and interdomain flexibility in an OmpR/PhoB homolog from Thermotoga maritima. Structure 10, 153-164.