Factor sigma

Un factor sigma (factor σ o factor de especificidad) es una proteína necesaria para el inicio de la transcripción en bacterias. Es un factor de iniciación de la transcripción bacteriana que permite la unión específica de la ARN polimerasa (RNAP) a los promotores de genes. Es homólogo al factor de transcripción B de arqueas y al factor eucariota TFIIB. El factor sigma específico utilizado para iniciar la transcripción de un gen determinado variará dependiendo del gen y de las señales ambientales necesarias para iniciar la transcripción de ese gen. La selección de promotores por la ARN polimerasa depende del factor sigma que se asocia con él. También se encuentran en los cloroplastos de las plantas como parte de la polimerasa codificada por plastidios (PEP) similar a las bacterias.

El factor sigma, junto con la ARN polimerasa, se conoce como holoenzima de la ARN polimerasa. Cada molécula de holoenzima de ARN polimerasa contiene exactamente una subunidad del factor sigma, que en la bacteria modelo Escherichia coli es una de las que se enumeran a continuación. El número de factores sigma varía entre especies bacterianas. E. coli tiene siete factores sigma. Los factores sigma se distinguen por sus pesos moleculares característicos. Por ejemplo, σ⁷⁰ es el factor sigma con un peso molecular de 70 kDa.

El factor sigma en el complejo holoenzimático de la ARN polimerasa es necesario para el inicio de la transcripción, aunque una vez finalizada esa etapa se disocia del complejo y la RNAP continúa elongándose por sí sola.

Factores sigma especializados

Se utilizan diferentes factores sigma en diferentes condiciones ambientales. Estos factores sigma especializados se unen a los promotores de genes apropiados para las condiciones ambientales, aumentando la transcripción de esos genes.

Factores sigma en E. coli:

• σ70(RpoD) – σ^A – factor de sigma de mantenimiento o también llamado factor sigma primario (Grupo 1), transscribe la mayoría de los genes en células crecientes. Cada célula tiene un factor de sigma que mantiene los genes esenciales y las vías de funcionamiento. En el caso de E. coli y otras bacterias gramnegativas en forma de varilla, el factor de sigma "conservación" es σ⁷⁰. Genes recognized by σ⁷⁰ todos contienen secuencias de consenso de promotores similares que consisten en dos partes. En relación con la base de ADN correspondiente al inicio de la transcripción del ARN, las secuencias promotoras del consenso se centran característicamente en 10 y 35 nucleótidos antes del inicio de la transcripción (−10 y −35).
• σ19 (FecI) – el factor de sigma de cítrico férrico, regula el fec gen para el transporte de hierro y el metabolismo
• σ24 (RpoE) – respuesta extrema del estrés térmico y el factor sigma de proteínas extracelulares
• σ28 (RpoF/FliA) – factor de sigma de síntesis y quimiotaxis del flagelo
• σ³² (RpoH) – el factor de sigma de choque de calor, se activa cuando las bacterias están expuestas al calor. Debido a la mayor expresión, el factor se unirá con una alta probabilidad a la enzima polimerasa-core. Al hacerlo, se expresan otras proteínas de calor, lo que permite que la célula sobreviva temperaturas superiores. Algunas de las enzimas que se expresan al activar σ³² son caperones, proteasas y enzimas reparadoras de ADN.
• σ38 (RpoS) – el factor de sigma de fase estecionaria
• σ54 (RpoN) – factor de sigma de nitrógeno-limitación

También existen factores anti-sigma que inhiben la función de los factores sigma y factores anti-anti-sigma que restauran la función del factor sigma.

Estructura

Por similitud de secuencia, la mayoría de los factores sigma son similares a σ⁷⁰ (InterPro: IPR000943). Tienen cuatro regiones (dominios) principales que generalmente se conservan:

N-terminus --- C-terminus
1.1 2 3 4

Las regiones se subdividen aún más. Por ejemplo, la región 2 incluye 1.2 y 2.1 a 2.4.

El dominio 1.1 se encuentra sólo en los "factores sigma primarios" (RpoD, RpoS en E.coli; "Grupo 1"). Participa en garantizar que el factor sigma solo se una al promotor cuando forme complejo con la ARN polimerasa. Cada uno de los dominios 2 a 4 interactúa con elementos promotores específicos y con RNAP. La región 2.4 reconoce y se une al elemento promotor −10 (llamado "caja Pribnow"). La región 4.2 reconoce y se une al elemento promotor −35.

No todos los factores sigma de la familia σ⁷⁰ contienen todos los dominios. El grupo 2, que incluye RpoS, es muy similar al grupo 1 pero carece del dominio 1. El grupo 3 también carece del dominio 1 e incluye σ²⁸. El grupo 4, también conocido como grupo de función extracitoplasmática (ECF), carece de σ1.1 y σ3. RpoE es miembro.

Otros factores sigma conocidos son del tipo σ⁵⁴/RpoN (InterPro: IPR000394). Son factores sigma funcionales, pero tienen secuencias de aminoácidos primarios significativamente diferentes.

Retención durante el alargamiento de la transcripción

La ARN polimerasa central (que consta de 2 subunidades alfa (α), 1 beta (β), 1 beta-prime (β') y 1 omega (ω)) se une a un factor sigma para formar un complejo llamado la holoenzima ARN polimerasa. Anteriormente se creía que la holoenzima de la ARN polimerasa inicia la transcripción, mientras que la ARN polimerasa central por sí sola sintetiza el ARN. Por lo tanto, la opinión aceptada era que el factor sigma debe disociarse en la transición del inicio de la transcripción al alargamiento de la transcripción (esta transición se denomina "escape del promotor"). Esta opinión se basó en el análisis de complejos purificados de ARN polimerasa detenidos en el inicio y en el alargamiento. Finalmente, los modelos estructurales de los complejos de ARN polimerasa predijeron que, a medida que el producto de ARN en crecimiento se vuelve más largo que ~15 nucleótidos, sigma debe ser "expulsado" de la cadena. de la holoenzima, ya que existe un choque estérico entre el ARN y un dominio sigma. Sin embargo, σ⁷⁰ puede permanecer unido en complejo con la ARN polimerasa central en el alargamiento inicial y, a veces, durante el alargamiento. De hecho, el fenómeno de la pausa proximal al promotor indica que sigma desempeña funciones durante el alargamiento temprano. Todos los estudios son consistentes con la suposición de que el escape del promotor reduce la vida útil de la interacción sigma-núcleo desde muy larga en el inicio (demasiado larga para ser medida en un experimento bioquímico típico) a una vida útil más corta y mensurable en la transición al alargamiento.

Ciclo sigma

Durante mucho tiempo se pensó que el factor sigma abandona obligatoriamente la enzima central una vez que ha iniciado la transcripción, lo que le permite unirse a otra enzima central e iniciar la transcripción en otro sitio. Por tanto, el factor sigma circularía de un núcleo a otro. Sin embargo, se utilizó la transferencia de energía por resonancia de fluorescencia para demostrar que el factor sigma no abandona obligatoriamente el núcleo. En cambio, cambia su unión con el núcleo durante la iniciación y el alargamiento. Por lo tanto, el factor sigma oscila entre un estado fuertemente ligado durante la iniciación y un estado débilmente ligado durante el alargamiento.

Competencia del factor sigma

Se ha demostrado que el número de RNAP en las células bacterianas (p. ej., E. coli) es menor que el número de factores sigma. En consecuencia, si un determinado factor sigma se sobreexpresa, no sólo aumentarán los niveles de expresión de los genes cuyos promotores tienen preferencia por ese factor sigma, sino que también se reducirá la probabilidad de que genes con promotores tengan preferencia por otros factores sigma.

Mientras tanto, el inicio de la transcripción tiene dos pasos principales que limitan la velocidad: la formación del complejo cerrado y abierto. Sin embargo, sólo la dinámica del primer paso depende de la concentración de factores sigma. Curiosamente, cuanto más rápida es la formación de complejos cerrados en relación con la formación de complejos abiertos, menos sensible es un promotor a los cambios en la concentración de los factores sigma (consulte un modelo y datos empíricos de este fenómeno).

Genes con preferencia por factor dual sigma

Si bien la mayoría de los genes de E. coli puede ser reconocido por un RNAP con un solo tipo de factor sigma (por ejemplo, sigma 70), unos pocos genes (~ 5%) tienen lo que se llama una “preferencia de factor sigma dual”, es decir, puede responder a dos factores sigma diferentes, como se informa en RegulonDB. Los más comunes son aquellos promotores que pueden responder tanto a sigma 70 como a sigma 38 (ilustrados en la figura). Los estudios de la dinámica de estos genes demostraron que cuando las células entran en crecimiento estacionario son casi tan inducidas como aquellos genes que tienen preferencia por σ38 solo. Se demostró que este nivel de inducción era predecible a partir de su secuencia promotora. En la figura se muestra un modelo de su dinámica. En el futuro, estos promotores pueden convertirse en herramientas útiles en construcciones genéticas sintéticas en E. coli.