RelA-SpoT homolog enzymes as effectors of Toxin-Antitoxin systems

Doktoritöö: Tartu Ülikool, 2022, kokkuvõte eesti keeles

Nagu kõik elusorganismid, tunnetavad bakterid keskkonda ja reageerivad suurele hulgale erinevatele stressidele, kohandades vastavalt oma füsioloogiat. Üks peamisi stressivastuseid on poomisvastus. Poomisvastus vahendab bakterite kohanemist toitainete vähesusega, samuti vastust abiootilisele keskkonnastressidele nagu näiteks kuumašokk. Rohkem kui kuus aastakümmet tagasi avastati, et häirenukleotiidid ppGpp ja pppGpp – ühiselt viidatud kui (p)ppGpp – ehk maagilised laigud tekivad Escherichia coli rakkudes vastusena aminohapete vähesusele. Poomisvastuse esimene füsioloogiline roll, mis tuvastati, oli stabiilse RNA (rRNA ja tRNA) sünteesi pärssimine, mis on kooskõlastatud aminohapete biosünteesi ja stressitaluvusega seotud geenide ekspressiooni indutseerimisega. Aastakümneid kestnud uuringud on aga näidanud, et lisaks transkriptsioonile on (p)ppGpp sihtmärkideks ka mitmed muud rakus toimuvad protsessid, nagu translatsioon, ribosoomide kokkupanek, antibiootikumiresistentsus ja virulentsus. Veel üks oluline bakterite regulatsioonisüsteem põhineb toksiini – antitoksiin (TA) süsteemidel. Esimesed toksiini-antitoksiin (TA) süsteemide esindajad avastati 80ndate alguses. Klassikalised TA süsteemid on bitsistroonilised – st koosnevad kahest geenist – operonist, milles üks geen kodeerib valgulist toksiini ja teine antitoksiini, valku või RNAd, mis toksiini kas otseselt või kaudselt neutraliseerib. TA-süsteemide uuringud on viimastel aastatel plahvatuslikult kasvanud, avastatud on arvukalt uusi TA perekondi, iseloomustatud nende toimemehhanisme, iseloomustatud bioloogilisi funktsioone ja pakutud välja võimalikke rakendusi biotehnoloogias. Enim iseloomustatud funktsioonid hõlmavad plasmiidi säilitamist, kaitset bakteriofaagide vastu ja rakufüsioloogia reguleerimist. Käesolevas uuringus kirjeldati RSH perekonna ensüümide uusi aktiivsusi ja toksiinide neutraliseerimise spetsiifilisust PanA antitoksiini perekonna liikmete poolt. Lisaks eelpool kirjeldatud protsessidele toimub stressi ajal ribosoomide dimerisatsioon. See stressivastus on kasulik rakkudele ellujäämiseks, kuid võib lüsaatide kasutamise korral biotehnoloogias olla probleemiks kuna vähendab rakuvabade translatsioonisüsteemide aktiivsust. Seetõttu uuriti ribosoomi dimeriseerumise eest vastutavate valkude eemaldamise mõju rakulüsaatide aktiivsusele. Leiti, et RSH ensüümide ensümaatiline aktiivsus ei piirdu (p)ppGpp tootmise ja lagunemisega. ToxSAS RSH PhRel2, FaRel2, PhRel ja CapRel alamperekondade liikmed katalüüsivad tRNA 3'CCA otsa pürofosforüülimist ja FaRel perekonna liikmed katalüüsivad (pp)pApp sünteesi. SAH alamperekonna liikmed MESH1 ja ATfaRel katalüüsivad pürofosfaadi eemaldamist PP-tRNA-st ja (pp)pApp lagunemist. Ühist PanA domeeni sisaldavad antitoksiinid neutraliseerivad erinevaid toksiine. PanA-vahendatud toksiinide neutraliseerimine on toksiini osas siiski spetsiifiline. Ribosoomi dimerisatsioonifaktorite geneetiline elimineerimine bakteri B. subtilis (hfp) ja pärmi S. cerevisiae (stm1) tüvedes on paljulubav strateegia aktiivsemate rakuvabade translatsioonilüsaatide tootmiseks. Reaktsiooni optimeerimisel on oluline panna tähele Mg2+ ja muude komponentide kontsentratsioone ja omavahelisi suhteid.