Phản ứng chống đói của vi khuẩn

Phản ứng chống đói được điều khiển bởi các phần tử guanosine nucleotides là (p)ppGpp với với trò là chất báo hiệu (alarmone). Bằng cách tạo liên kết với các RNA polymerase, (p)ppGpp ức chế phiên mã của các gene liên quan đến bộ máy dịch mã (translation) trong khi tăng cường gene liên quan các con đường sinh tổng hợp amino acid. Ở E. coli, phản ứng chống đói cũng bao gồm việc ức chế sự khởi đầu quá trình nhân đôi DNA để tập trung hoạt động tế bào chuyển từ việc phân bào sang việc duy trì sự sống.

Một số công trình trên B. subtilis trước đây cho thấy phản ứng chống đói của vi khuẩn ưu tiên bước triển khai (elongation) chứ không phải là bước khởi đầu (initiation) của quá trình nhân đôi DNA. Tuy nhiên, nguyên lý điều hòa của bước triển khai tự sao DNA chưa được hiểu biết tường tận. Quá trình tự sao của NST dạng vòng của B. subtilis thường bắt đầu từ một điểm khởi đầu tự sao (ori) và sao đó triển khai theo hai hướng suốt dọc chiều dài NST. Các nghiên cứu sau này cho thấy trong tế bào đói dinh dưỡng quá trình khuyếch đại này bị gián đoạn tại 2 vị trí bên phải và bên trái của vùng giới hạn đói (ter) nằm 2 phía của điểm ori. Thật ngạc nhiên, trong các tế bào đói không đồng thời, chạc sao chép bị gián đoạn ở nhiều điểm khác nhau trong vài phút. Điều đó chứng tỏ cơ chế gián đoạn này không phụ thuộc vào vị trí của một số trình tự DNA báo hiệu (cis-element). Việc gián đoán quá trình tự sao có thể được phục hồi nếu nguồn dinh dưỡng được bổ sung lại.

Ứng cử viên đầu tiên được giả định là tác nhân của quá trình gián đoạn sao chép là protein Rtp (replication termination protein), chuyên trách việc dừng quá trình sao mã. Tuy nhiên ở thể đột biến khuyết Rtp, quá trình sao chép vẫn bị gián đoạn khi tế bào bị đói. Trong khi ở tế bào khuyết RelA, enzyme tổng hợp ra (p)ppGpp thường được hoạt hóa trong phản ứng chống đói, quá trình khuyếch đại DNA ko bị gián đoạn khi đói dinh dưỡng. Các thực nghiệm sau đó chứng tỏ (p)ppGpp tạo liên kết với DNA primase, một loại RNA polymerase thường tạo các đầu mồi trong quá trình sao chép DNA. Vị trí tạo thành liên kết chưa được phát hiện nhưng quá trình gián đoạn sao chép DNA đã được chứng minh phụ thuộc nồng độ của (p)ppGpp. Do đó phản ứng này được điều khiển chặt chẽ trong phản ứng chống đói của vi khuẩn. Một mối quan hệ tinh vi giữa lượng tài nguyên dinh dưỡng với tính toàn vẹn của genome vi khuẩn từ đó hình thành nên một phản ứng chống stress toàn diện của tế bào nhằm duy trì sự tồn tại trong những điều kiện khắc nghiệt.

Các tế bào vi khuẩn trong phản ứng chống đói đều nhanh chóng giảm thiểu quá trình sinh tổng hợp rRNA và sản xuất ribosome. Nhân tố trung tâm của phản ứng chống đói là (p)ppGpp, thường được sản sinh khi quá trình sinh trưởng tế bào bị dừng lại do đói amino acid hoặc các nhóm dinh dưỡng khác. Trong E. coli, (p)ppGpp được sản sinh bởi 2 con đường: i) phụ thuộc RelA và ii) phụ thuộc SpoT. Trong môi trường thiếu amino acid, RelA liên kết với ribosome và tạo ra ppGpp (sau khi tạo chất trung gian là pppGpp) khi mà tRNA không mang amino acid đi vào vị trí A của ribosome. Con đường tổng hợp ppGpp thông qua SpoT chưa được hiểu rõ nhưng SpoT đóng vai trò chính trong việc tích lũy ppGpp. Đồng thời chính SpoT cũng có khả năng phân hủy ppGpp.

ppGpp có khả năng bám vào tiểu đơn vị β và β' của RNA polymerase (RNAP) và gây ra một loạt các phản ứng sinh lý dây chuyền. Ngoài việc ức chế tổng hợp rRNA, ppGpp cũng hoạt động giống như một chất tăng cường biểu hiện một số gene phụ thuộc σ70 và một số sigma factor khác. Bằng cách đó, ppGpp ức chế quá trình tổng hợp ribosomal protein và các elongation factor, quá trình nhân đôi DNA, sinh tổng hợp acid béo và thành tế bào cũng như tuổi thọ của các RNA. Trong khi đó, ppGpp lại tăng cường chu trình sinh tổng hợp các amino acid, kích thích biểu hiện các protein liên quan đến quá trình chống stress tế bào và các gene phụ thuộc σS.

Cơ chế của quá trình ức chế phiên mã của ppGpp hiện nay chưa rõ ràng và tồn tại 6 giả thuyết sau. 1) độ bền của phức hệ phiên mã mở giữa RNA polymerase và promoter (chỉ có tác dụng trên một số vùng promoter nhất định ví dụ promoter của rRNA). 2) độ thoáng của promoter (promoter clearance) ở trường hợp λPR; 3) tốc độ hình thành phức hệ phiên mã mở (RNAP- promoter open complex; 4) gián đoạn quá trình triển khai phiên mã; 5) tính cạnh tranh giữa ppGpp và các NTPs tại trung tâm hoạt động của RNA polymerase; và 6) ppGppp tạo thành liên kết với cytosine ở vùng đối mã tương ứng với promoter.

ppGpp cũng kích thích mức độ biểu hiện của một số gene phụ thuộc vào các sigma factor thay thế (ví dụ σS hay σ54) hoặc sigma factor chủ chốt (housekeeping) như σ70. Thông thường, những gene phụ thuộc vào σ70 liên quan đến phân bào và sinh trưởng thì bị ppGpp ức chế trong khi đó lại kích thích các gene phụ thuộc vào σ70 liên quan đến sức chống chịu stress và hoạt động duy trì.