在分子生物學領域，雙組分調節系統作為基本的刺激-回響耦合機制，允許生物體感知和回響許多不同環境條件的變化。雙組分系統通常包含一個膜上的組氨酸激酶來感知特定的環境刺激，以及一個相應的反應調節子介導細胞應答。儘管在生命的所有領域都發現了雙組分信號系統，但它們迄今為止在細菌中最常見。尤其在革蘭氏陰性菌和藍細菌中；組氨酸激酶和反應調節子都是細菌中最大的基因家族。它們在古生菌和真核生物中並不常見；雖然它們確實出現在酵母、絲狀真菌和粘菌中，在植物中也很常見。雙組分體系在動物身上被描述為“引人注目的缺失”。
基本介紹
- 中文名：雙組分調節系統
- 外文名：Two-component regulatory system
- 成分：感應蛋白主要是激酶
- 特點：由兩個不同的基因編碼
- 位置：基因通常是相鄰
介紹,機制,功能,進化,
介紹
典型的雙組分調節系統由感受蛋白和調節蛋白組成，它們由兩個不同的基因編碼，這兩個基因通常是相鄰的，而且常組成一個操縱子。
機制
雙組分系統通過組氨酸激酶（HK）磷酸化反應調節子（RR）完成信號轉導。組氨酸激酶通常是包含組氨酸磷酸轉移域和ATP結合域的同源二聚體跨膜蛋白，儘管有報導稱非典型HWE和HisKA2家族中的一些組氨酸激酶不是同源二聚體。反應調節子可能僅由受體結構域組成，但通常是具有受體結構域和至少一個效應或輸出結構域的多結構域蛋白質，通常涉及DNA結合。當檢測到細胞外環境的特定變化時，HK進行自磷酸化反應，將磷酸基從三磷酸腺苷(ATP)轉移到特定的組氨酸殘基。然後，對應的反應調節子(RR)催化磷酸基轉移到反應調節子的接收域上的天冬氨酸殘基上。這通常觸發構象的改變，激活RR的效應域，反過來又通過刺激（或抑制）靶基因的表達，產生細胞對信號的回響。
許多HK是雙功能的，並具有針對它們對應的反應調節子的磷酸酶活性，因此它們的信號輸出反映了激酶和磷酸酶活性之間的平衡。許多反應調節子也可以自動去磷酸化，而且相對不穩定的磷酸天冬氨酸也可以在沒有酶存在的情況下水解。反應調節子的磷酸化水平最終控制其活性。
磷酸中繼系統
一些組氨酸激酶是包含內部接收域的“雜交體”。在這些情況下，雜交HK自磷酸化，然後將磷酸基轉移到它自己的內部接收域，而不是單獨的、分離的RR蛋白。然後磷酸基團被“穿梭”到組氨酸磷酸轉移酶（HPT）上，隨後到達一個末端RR，該末端RR可以引起期望的反應。這個系統被稱為“磷酸中繼（phosphorelay）”系統。幾乎25%的細菌HK是雜交型，大部分的真核HK也是雜交型。
功能
雙組分信號轉導系統使細菌能夠感知、回響和適應廣泛的環境、壓力源和生長條件。這些途徑已經適應於回響各種各樣的刺激，包括營養、細胞氧化還原狀態、滲透壓的變化、群體感應信號、抗生素、溫度、化學吸引劑、pH等等。細菌基因組中雙組分系統的平均數量估計約為30，或原核生物基因組的1-2%。一些細菌完全沒有——典型的是內共生體和病原體——而其他細菌含有超過200個。所有這些系統都必須嚴密地加以管制，以防止體內罕見的互相干擾。
在大腸桿菌中，滲透調節的EnvZ/OmpR雙組分系統控制外膜孔蛋白OmpF和OmpC的差異表達。KdpD感測器激酶蛋白調節KdpFABC操縱子，該操縱子負責細菌中的鉀轉運，包括大腸桿菌和乙醯丁酸梭菌。該蛋白的N-末端結構域形成該蛋白的細胞質區域的一部分，其可能是負責感測膨壓的感測器結構域。
進化
細菌基因組中存在的雙組分系統的數量與基因組大小和生態位高度相關；占據環境波動頻繁的生態位的細菌具有更多的組氨酸激酶和反應調節子。新的雙組分系統可能由基因複製或水平基因轉移引起，並且每個過程的相對速率在細菌物種之間顯著不同。在大多數情況下，反應調節基因位於與其對應的組氨酸激酶相同的操縱子中；水平基因轉移比基因複製更有可能保持操縱子結構。
