Replikacija plazmidov po mehanizmu téta

Teta replikacija je najpogostejši mehanizem podvojevanja plazmidov pri enterobakterijah. Znotraj teta plazmidov razlikujemo dva mehanizma začetka replikacije, prvi je podoben oriC, ki se vzporedno začne s sintezo vodilne verige pri oriC, vodi do nastanka replisoma in spada v razred teta A replikacije. Druga skupina pa so teta B, C in D replikacije vodene s PriA, ki so podobne ponovnemu zagonu replikacije po razpadu replikacijskih vilic in kjer pride do sestavljanja primosoma. Potek obeh kategorij se od nalaganja DnaB naprej ne razlikuje, oboji se zanašata na gostiteljsko holoecim polimerazo III za dokončanje replikacije obeh verig. Teta plazmidi so značilni po usklajeni replikaciji vodilne in zastajajoče verige, pri čemer je replikacija zastajajoče verige prekinjena, kar vodi v nastanek mehurčkov v zgodnjih fazah replikacije, ki spominjajo na grško črko θ.

Iniciacija

Razred A

Pri plazmidni replikaciji, podobni kromosomski oriC, iniciacija vključuje prepoznavanje motivnega zaporedja s strani proteina za iniciacijo replikacije (Rep npr. TrfA), ki je v tem primeru kodiran v plazmidu, čeprav so plazmidi lahko odvisni izključno od gostiteljskih iniciatorskih dejavnikov. Replikoni razreda teta A običajno vključujejo iniciator replikacije, DnaA škatle navzgor ali navzdol od Rep, z AT bogat element za odvijanje DNA (DUE) in iterone, specifična prepoznavna mesta dolga ~ 20 nt za Rep. Praviloma so prisotna tudi mesta za vezavo proteinov povezanih z nukleotidi (NAP npr. IHF) ali za metilacijo z metilazo Dam. Rep se kooperativno vežejo na iterone, dokler se ti iteroni ne nasičijo. Nato je preko Rep vključena helikaza DnaB, pri čemer vezava DnaA na sosednje škatle DnaA variira, kar privede do nastanka odprtega kompleksa dvojne vijačnice. Tvorba odprtega kompleksa vključuje odvijanje DUE, zaradi torzijskih sil in nadaljnjo vezavo replikacijskih iniciatorjev v spodnjo verigo ssDNA. Na preostanek spodnje in zgornje ssDNA verige pa se vežejo tetramerni SSB proteini. DnaA stabilizira tvorbo TrfA vodenega odprtega kompleksa in pomaga pri vključevanju DnaB/C. Daljša oblika TrfA prav tako pomaga pri sestavljanju replisoma na način, ki ni odvisen od DnaA prek neposredne interakcije s sponko β in prek interakcije, specifične za zaporedje, z eno verigo plazmidnega DUE. Kljub očitnim mehanističnim podobnostim z oriC kromosomsko replikacijo, funkcija Rep v plazmidih ne nadomesti popolnoma funkcije DnaA. Nekateri Rep se vežejo na DnaA, in DnaA mesta so pogosto najdena v izvorih replikacije plazmidov, kar kaže na sodelovanje med plazmidom in kromosomskimi replikacijskimi mehanizmi. V primerjavi z DnaA imajo plazmidni Rep v plazmidih IncP (preučevani plazmidi) tudi pomembne funkcionalne razlike. Vezavna mesta za monomere Rep plazmidov niso povezana z DnaA mesti. Rep se vežejo neposredno na iterone plazmidnega ori. Tako IncP Rep kot DnaA kooperativno oligomerizirajo ob vezavi na specifične ponovitve, kar ustvarja torzijske sile, ki vodijo v taljenje dvojne DNA vijačnice v njihovi bližini in tvorbo odprtega kompleksa. Druga pomembna razlika je, da za vezavo Rep na iterone ni potreben ATP, to je drugače kot pri DnaA, ki mora biti v vezani obliki z ATP. Razlika je tudi v tem, da je DnaA monomeren, medtem ko se lahko Rep plazmidov IncP oblikujejo v dimere, mehanizem, ki je ključen za uravnavanje števila kopij plazmida. Shema prikaza mehanizma replikacije tega razreda: Slika 1.

PriA voden ponovni zagon replikacijskih vilic

Helikaza PriA se veže na proste 3'-konce nastajajoče vodilne verige blizu replikacijskih vilic, saj to znak, da je onemogočeno napredovanje transkripcije. Podobne strukture se pojavijo, če se tretja veriga veže na eno od verig denaturirane DNA. Če je veriga RNA, strukturo imenujemo R-zanka, če pa je DNA, gre za D-zanko. Helikaza tvori kompleks s PriB in DnaT, katerega funkcija je nalaganje DnaB/C kompleksa na zastajajočo verigo, nanj pa se nato veže DnaG. Pri vseh treh razredih se pojavi R-zanka, ki v nadaljevanju omogoči vezavo PriA, prav tako poteka pri vseh replikacija v eno smer, saj vsebujejo njihovi replikoni ovire na 5'-koncu.

Razred B

V ta razred uvrščamo ColE1 in ColE1 podobne plazmide. Gostiteljevi proteini sodelujejo pri denaturaciji DNA in sintezi primerja za razliko od razreda A, na plazmidih posledično ni kodiranih iniciacijskih faktorjev. Transkripcija se začne s sintezo približno 600 bp dolgega preprimerja RNA II, ki se izraža s konstitutivnim promotorjem P2. 3'-konec transkripta tvori stabilen hibrid s 5'-koncem zastajajoče verige, ki zajema tudi mesto ori, s čimer se tvori R-zanka. Tvorbo zanke olajšata tudi parjenje z gvanini bogatega zaporedja na transkriptu s citozini bogatim zaporedjem na DNA in nastanek drugih lasničnih zank na transkriptu. Zatem sledi procesiranje preprimerja z RNazo H, kar vodi do nastanka prostega 3'-OH konca, na katerega se veže Pol I in ga podaljša do točke, imenovane RNA/DNA stikalo. To deluje kot signal za začetek sinteze vodilne verige. Nastajajoča vodilna veriga tvori hibrid z matrično verigo in posledično nastane D-zanka, na katero se veže PriA. Vezavo PriA lahko sprožijo lasnične zanke na matrici za zastajajočo verigo (tako imenovan signal pas), ki nastanejo ob razprtju dupleksa zaradi podaljševanja RNA primerja. Primosom nato omogoči vezavo Pol III, ki nadaljuje s sintezo vodilne verige in začne sintezo zastajajoče. Enosmerno replikacijo zagotovi zaustavitev Pol III na mestu terH, ki se nahaja 17 bp navzgor od DNA/RNA stikala na matrici za zastajajočo verigo. Shema prikaza mehanizma replikacije tega razreda: Slika 2(desno).

Razred C

Gre za ColE2 in ColE3 plazmide, ki navzgor od mesta ori kodirajo proteine Rep (RepA). Ti hkrati delujejo kot iniciacijski faktor in primaza, ta razred torej ne potrebuje gostiteljevih proteinov za denaturacijo in začetek transkripcije, s čimer se skrajša cis-ori zaporedje in poveča število možnih različnih gostiteljev. Rep je sestavljen iz dveh heliksov s krilci ter se veže na dsDNA na iterone (del mesta ori), ki vsebujejo regijo za vezavo Rep in regijo za iniciacijo replikacije, in hkrati na DUE na ssDNA. Iniciacija transkripcije se začne z vezavo tega proteina blizu DUE, kar povzroči denaturacijo DNA, s sočasno vezavo na iterone. Primazna aktivnost proteina Rep omogoča sintezo unikatnega RNA-primerja ppApGpA, ki ga Pol I podaljša. Transkripcija nato poteka po enakem mehanizmu kot pri razredu B.

Razred D

Sem uvrščamo streptokokne plazmide, ki prav tako kot razred C nosijo zapis za proteine Rep. Replikacija se začne s procesiranjem dolgega transkripta, ki hkrati nosi zapis za replikacijski iniciacijski faktor (RepE pri pAMβ1) in deluje kot primer. Promotor za ta transkript se nahaja tik navzgor od mesta ori, torej tudi pri teh plazmidih gostiteljevi proteini ne sodelujejo pri denaturaciji in iniciaciji transkripcije plazmida. Rep se veže na unikatno mesto tik pred mestom ori, kar denaturira z AT bogato zaporedje tik navzdol od vezavnega mesta za ta protein. V tem primeru na plazmidu ni iteronov, na katere bi se Rep vezal. Poleg tega lahko ta protein procesira primer ali pa ustavi njegovo transkripcijo. Replisom se nato sestavi s pomočjo PriA zaradi nastanka D-zanke na nastajajoči vodilni verigi in pojava signala pas, ki nastaneta po podaljšanju primerja s Pol I. Napredovanje Pol I je onemogočeno na dveh mestih navzdol od RNA/DNA stikala, kar najverjetneje omogoča zamenjavo Pol I s Pol III. Pri tem sodelujeta topoizomerazi I podoben encim in specifična resolvaza Resβ, ki sta oba zapisana na plazmidu. Tudi pri tem razredu poteka replikacija enosmerno.

Elongacija in terminacija

Pri elongaciji sodeluje DNA polimeraza III, potek je podoben elongaciji pri replikaciji bakterijskega kromosoma.

Terminacija replikacije pri vseh razredih teta plazmidov poteka enako. Na ter regijo se vežejo proteini - ti so lahko monomeri (npr. Tus) ali tetrameri dveh dimerov (npr. RTP). S kompleksom ter-protein nato interagira helikaza, kar sproži delovanje topoizomeraz, ki zaključijo terminacijo na podoben način kot pri terminaciji replikacije kromosoma.

Regulacija replikacije

Natančna regulacija števila plazmida je za celico izjemno pomembna, saj z njo regulira število plazmidov in tako hkrati tudi število kopij genov. Transkripcija posameznih genov je sicer regulirana preko njihovih promotorjev, vendar je stopnja izražanja genov odvisna tudi od samega števila kopij genov. Regulacija replikacije plazmidov večinoma poteka v fazi iniciacije replikacije. Na plazmidih se lahko nahaja več mest začetka iniciacije replikacije, zato je lahko regulacija števila kopij istega plazmida poteka preko več različnih mehanizmov. Mehanizmi regulacije replikacije so občutljivi na število kopij plazmida relativno na volumen celice. Sestavljeni so iz »senzorja« in »efektorja«. Senzor temelji na koncentraciji specifične molekule v celici, ki je sorazmerna številu plazmidov. Efektor pa sproži mehanizem, ki prepreči ponovno replikacijo plazmida ali pa jo omogoči. Regulacija replikacije je najbolje raziskana pri razredih A in B.

Razred A

Mnogo mehanizmov regulacije poteka preko negativne povratne zanke. Tako je tudi pri teta plazmidih razreda A, kjer Rep proteini delujejo kot negativni regulatorji replikacije. Replikacija je odvisna od koncentracije prostih iteronov. Koncentracija teh je odvisna tako od volumna celice kot od števila kopij plazmida. Ko je število kopij plazmida nizko, je izražanje Rep proteinov visoko in proteini se nahajajo v monomerni obliki, ki je aktivna oblika proteinov. V nekaterih primerih pri njihovi aktivaciji sodelujejo šaperoni. Na prisotne Rep proteine v dimerni (neaktivni) obliki delujejo proteaze, ki jih cepijo v monomere. Rep proteini se vežejo na iterone do nasičenja, čemur sledi replikacija plazmida. Ko je število kopij plazmida visoko, imajo Rep proteini med seboj večjo afiniteto in tvorijo dimerne (neaktivne) oblike. Dimer je simetričen in se ujema z obrnjenim iteronom v promotorju rep gena. Ta vezava onemogoča vezavo RNA polimeraze na promotor, posledično transkripcija rep gena ne poteče, zato Rep proteini ne nastajajo in replikacija ne poteče. Ob visokem številu plazmidov obstaja še en mehanizem regulacije in sicer »handcuffing« - pri tem pride do povezave Rep proteinov, ki so vezani na iterone na ori mestih različnih plazmidov. Ta povezava onemogoči iniciacijo replikacije. Do povezave med Rep proteini pride na različne načine: neposredna dimerizacija Rep proteinov, neposredna interakcija Rep proteinov, ki so zaradi vezave iterona konformacijsko spremenjeni ter preko dimera, ki ima vlogo povezovalnega mostu – vsak izmed plazmidov tvori interakcije z enim izmed mononerov dimera. »Handcuffingu« lahko nasprotujejo šaperoni, saj pospešijo disociacijo dimerov Rep proteinov na monomere in tako zvišajo število monomernih oblik v celici. Pri nekaterih teta plazmidih razreda A znižanje nivoja replikacije poteka tudi z protismerno RNA, ki utiša izražanje genov za Rep proteine. Na enak način poteka regulacija pri teta plazmidih razreda C. Shema prikaza mehanizma regulacije replikacije tega razreda: Slika 3.

Razred B

Pri razredu B regulacija poteka s protismerno RNAI. Preprimer (RNAII) tvori tri simetrične lasnične zanke dolžine od šest do sedem nukleotidov. Protismerna RNA (RNAI) prav tako tvori tri lasnične zanke, te so komplementarne zankam na RNAII. Komplementarne zanke med seboj interagirajo in tvorijo RNA dupleks. Zaradi konformacijskih sprememb je potem onemogočen nastanek R zanke, ki je potrebna za iniciacijo replikacije. Shema prikaza mehanizma regulacije replikacije tega razreda: Slika 2(levo).

Viri

1. Kim, J. W., Bugata, V., Cortés-Cortés, G., Quevedo-Martínez, G., & Camps, M. (2020). Mechanisms of Theta Plasmid Replication in Enterobacteria and Implications for Adaptation to Its Host. EcoSal Plus, 9(1), 10.1128/ecosalplus.ESP-0026-2019. https://doi.org/10.1128/ecosalplus.ESP-0026-2019

2. Wegrzyn K and Konieczny I (2024) Toward an understanding of the DNA replication initiation in bacteria. Front. Microbiol. 14:1328842. doi: 10.3389/fmicb.2023.1328842

3. Lilly, J., & Camps, M. (2015). Mechanisms of Theta Plasmid Replication. Microbiology spectrum, 3(1), . https://doi.org/10.1128/microbiolspec.PLAS-0029-2014

4. del Solar, G., Giraldo, R., Ruiz-Echevarría, M. J., Espinosa, M., & Díaz-Orejas, R. (1998). Replication and control of circular bacterial plasmids. Microbiology and molecular biology reviews : MMBR, 62(2), 434–464. https://doi.org/10.1128/MMBR.62.2.434-464.1998