# PhoP/PhoQ

PhoP/PhoQ és un sistema regulador de dos components que es troba en alguns bacteris gramnegatius com Escherichia coli, Salmonella enterica Typhi, i Yersinia pestis. Generalment, un sistema regulador de dos components està format per un sensor cinasa i un regulador de la resposta. En el cas del PhoP/PhoQ, el PhoQ actua com el sensor cinasa, mentre que PhoP fa la funció de regulador de la resposta.

## Funcions

Com tots els sistemes de dos components, la funció del PhoP/PhoQ és la de permetre als organismes respondre a canvis al seu entorn. Durant els primers anys d’estudi d’aquest complex se li va atribuir la funció genèrica d’induir l'expressió de factors de virulència. En cada etapa de la infecció, el bacteri necessita un factor de virulència específic que li confereix un avantatge òptim. El complex PhoP/PhoQ s’encarrega de detectar quan el bacteri és dins la cèl·lula, on hi ha concentracions baixes de Mg$^{2+}$, i activar l'expressió de gens que codifiquen proteïnes que permeten al bacteri infectar i envair l’hoste de forma més efectiva.
Més recentment, s’ha començat a estudiar les funcions específiques d’aquestes proteïnes sintetitzades a partir de l’activació del PhoP/PhoQ. En un bacteri específic, per exemple la Salmonella enterica, aquest complex pot estar regulant la síntesi de més de 40 proteïnes. Aquestes proteïnes tenen funcions diverses que van des d'induir l’aparició de proteases que protegeixin el bacteri contra pèptids antimicrobians i altres components de la resposta específica de l’organisme (proteïnes pcgL, pgtE, pagP) fins a augmentar la resistència del bacteri dins l’hoste (proteïnes mgtA, mgtB, mgtC), passant pel desencadenament de canvis en la paret cel·lular del microbi, l’activació del propi gen PhoP i la regulació dels processos de transcripció, posttranscripció i posttraducció entre d'altres

### Altres condicions inductores de la virulència en el cas de Salmonella

Molts articles fan referència a una condició inductora (nivells baixos de Mg$^{2+}$ extracitoplàsmic) del procés d'activació d'aquest sistema de dos components, però n'hi ha d'altres com la presència d'AMPs (pèptids antimicrobians) particulars, pH lleugerament àcid i/o un canvi osmòtic quan la Salmonella enterica necessita activar la seva virulència.
Quant al pH, sabem que és un factor clau per la regulació de molts processos biològics a nivell fisiològic en les nostres cèl·lules: una variació del seu valor habitual, normalment controlat gràcies a tampons que tenim a nivell fisiològic, pot provocar un incorrecte funcionament d'orgànuls i en conseqüència provocar malalties, inclosa la mort cel·lular. En el cas dels patògens bacterians, aquest factor varia quan es dona una infecció d'hostes eucariotes.
El canvi osmòtic és detectat pel sistema de dos components tant de Salmonella enterica com d'Escherichia Coli. En anglès, a aquest procés se'n diu osmosensing: a diferència de les altres condicions prèviament citades, la detecció del canvi osmòtic no necessita el domini sensor periplasmàtic de PhoQ. El domini transmembrana de PhoQ canviarà de conformació a causa d'un canvi de grossor de la membrana cel·lular i pressió lateral (en condicions hiperosmòtiques).

## Estructura
### PhoQ

El PhoQ és el sensor histidina cinasa del sistema regulador de dos components, i és l'element clau per a l’activació del sistema. Les histidines cinases generalment són homodímers que tenen un domini d’unió al lligand a l'extrem N-terminal, i un domini proteïna cinasa a l'extrem C-terminal. Aquest darrer domini és responsable de l’autofosforilació de la histidina amb ATP i de la posterior transferència del grup fosfat a un Aspartat del regulador de la resposta - en el cas del sistema PhoP/PhoQ, al PhoP. PhoQ és una proteïna associada a la membrana que es veu regulada segons la concentració del catió Mg$^{2+}$, o del Ca$^{2+}$, al medi que l'envolta. A concentracions baixes del catió té la funció catalítica autocinasa, en canvi, a concentracions altes, actua com a fosfatasa.
En Salmonella typhimurium, s’ha vist que PhoQ és una proteïna de 487 aminoàcids, que pesa 55.467 Da, i que es localitza al locus STM1230.
Per tal de realitzar la seva funció catalítica, a l'estructura de PhoQ hi ha llocs d’unió a metalls en les posicions 151, 152, 202, 386 i 443, i regions d’unió al nucleòtid ATP en les seqüències 386-394, 416-421 i 435-447. Pel que sembla, l’aminoàcid Thr-48 podria estar involucrat en el canvi de conformació que permet l'equilibri entre els estats cinasa i fosfatasa de la proteïna.
Quant a l'estructura secundària de PhoQ, s’han identificat 10 conformacions hèlix α, 16 làmines β i un gir. Pel que fa a la conformació tridimensional, en l'estudi de la topologia de la proteïna, s'ha observat que PhoQ presenta diferents dominis. Primer de tot, una regió citoplasmàtica, després una regió transmembrana helicoïdal, una regió periplasmàtica, una altra transmembrana i finalment una citoplasmàtica, en aquest ordre. També s’han estudiat els dominis HAMP i proteïna cinasa, que es localitzen en les posicions 215-266 i 274-481, respectivament.
Finalment, s’han estudiat diferents possibles estructures per a PhoQ: 1YAX, 3CGY, 3CGZ, 4UEY.

### PhoP

El primer component d'aquest sistema regulador és la proteïna PhoP, composta en la majoria de cèl·lules per 223 aminoàcids i que actua com a regulador de resposta: permet una transducció de senyals intracel·lulars en funció de les característiques del medi al qual la cèl·lula està exposat per assegurar una adaptació correcta per part de l'organisme.

#### Domini regulador

El domini regulador de PhoP està compost per 5 hèlixs α i 5 làmines β. A més, presenta una simetria doble en l'hèlix α-4, làmina β-5 i hèlix α-5.
El domini regulador pot ser modificat per PhoQ, una histidina proteïna cinasa, aconseguint una major estabilitat per part de l’homodímer (estructura que es forma quan es combinen dues molècules del mateix tipus de proteïna). Es tracta d'una fosforilació d'un Aspartat conservat per PhoQ. També s'ha de tenir en compte que PhoP té una activitat d'autofosfatasa intrínseca, és a dir que seria capaç d'eliminar el grup fosfat per si mateix sense dependre d'altres circumstàncies, per poder desactivar-se si hi ha algun retard.

##### Forma activada

La forma activada es dona quan hi ha condicions d'inducció (nivells baixos de Mg$^{2+}$ extracitoplàsmic, i/o presència de AMPs particulars i/o pH àcid lleu).
Quan el domini regulador és fosforilat es produeix una estabilització de l'homodímer. Aquesta estabilització és deguda a diferents interaccions que es van poder conèixer gràcies al procés de cristal·lització d'un anàleg del grup fosfat, el BeF₃$^-$ (fluorur de beril·li) en el domini regulador d' Escherichia coli. Es va poder observar que els 3 fluors (F) interaccionen amb elements diferents: el primer fluor forma un enllaç amb el catió Mg$^{2+}$ mentre que el segon fluor s'uneix mitjançant un pont d'hidrogen a l'aminoàcid Thr 79. L'últim fluor interacciona amb l'aminoàcid Lys 101 gràcies a un pont salí.

##### Forma inactivada

El domini regulador adopta la forma inactivada en condicions fisiològiques normals (condicions no inductores). Ja no parlem de dímer però de monòmers.
Cal destacar que a concentracions més elevades, PhoP en forma inactivada es dimeritza. Aquest procés és similar a l'acció de PhoP en la seva forma fosforilada (activada) i dimeritzada.

#### Domini C-terminal efector

El domini C-terminal efector s'activa quan es produeix la dimerització en el domini regulador: és a dir que la fosforilació de PhoP no provoca un canvi de conformació en el domini efector.
Un cop aquest domini s'ha activat per canvi de conformació, adquireix una funció específica que és possible gràcies al motiu hèlix-gir-hèlix que presenta PhoP (es tracta d'un motiu que presenten les proteïnes que pertanyen a la família de reguladors de resposta OmpR / PhoB). Aquesta conformació permet la unió del domini C-terminal efector a l'ADN i la regulació de la transcripció. La unió té lloc en la caixa PhoP que té com a seqüència GTTTA.
En condicions no inductores, PhoQ desfosforilarà el PhoP-P, llavors la transcripció dels gens que eren aleshores activats serà dificultada.

## Procés: des de l'activació a l'acció

Els microorganismes detecten una gran quantitat de senyals extracel·lulars. Aquests sistemes combinen el reconeixement i la posterior transducció del senyal, induint la regulació de l'expressió d'alguns gens.
El Mg $^{2+}$ i el Ca $^{2+}$ són senyals fisiològics que controlen des del medi extracel·lular l’activitat del sistema regulador PhoP/PhoQ en la Salmonellae enterica. La proteïna PhoQ és un sensor extracel·lular de Mg $^{2+}$ i Ca $^{2+}$ que modula la transcripció de gens regulats per PhoP. Aquesta modulació és deguda a tres reaccions químiques fonamentals: autofosforilació del PhoQ, transferència del grup fosfat del PhoQ al PhoP i la desfosforilació del PhoP (regulant la transcripció del material genètic).
Diferents estudis han analitzat la capacitat de diferents ions divalents per modular la transcripció de gens, dit d'una altra manera, s'ha analitzat la capacitat de cations a actuar com a molècules de senyalització primària. El Mg$^{2+}$ sembla ser el catió fisiològicament més efectiu per regular el complex. El Ca$^{2+}$ i Mn$^{2+}$ poden substituir a Mg$^{2+}$, però altres cations divalents com per exemple el Ni$^{2+}$, Cu$^{2+}$ i Ba$^{2+}$ no semblen tenir cap efecte.

### Autofosforilació del PhoQ

PhoQ, el sensor quinasa del sistema de dos components, és la proteïna encarregada de la transducció del senyal primària que interactua directament amb el lligand de senyal. La PhoQ presenta una llarga cua citoplasmàtica i un domini periplàsmic. El domini periplàsmic és ric en residus àcids, els quals podrien estar implicats en la seva unió amb Mg$^{2+}$ i Ca$^{2+}$. La unió del domini periplàsmic amb els cations divalents indueix a l'autofosforilació de l'extrem C-terminal del domini citoplasmàtic de PhoQ, reacció en la qual el γ-fosfat de l'ATP es transfereix a un residu d'Histidina conservat (His277).
L'activitat autocinasa del sensor depèn de les concentracions micromolars de Mg$^{2+}$ del medi, ja que en diferents estudis no va ser detectada activitat de fosforilació sense aquest ió. És a dir, els substrats necessaris per dur a terme la fosforilació de la PhoQ són l'ATP, el qual a través de la seva hidròlisi donarà lloc a ADP i γ-fosfat, i les concentracions micromolars de Mg$^{2+}$ del medi extracel·lular. A més a més, s’ha observat que la Histidina conservada (His277) sembla ser l’únic aminoàcid on es produeixi la fosforilació, ja que en la PhoQ mutada (PhoQ$_{H277V}$, en lloc de tenir una histidina té una Valina) no es va donar la fosforilació.

### Transferència del grup fosfat del PhoQ al PhoP

Cada sensor cinasa s'aparella a una proteïna reguladora de resposta que normalment du a terme l'acció de transcriure gens específics. La interacció entre el sensor quinasa i el seu regulador fa que es doni lloc una transferència del grup fosfat, que es transfereix de PhoQ a PhoP. El PhoP, és a dir, la proteïna reguladora de resposta, es troba en el citoplasma. En el seu extrem N-terminal s’hi troba un residu d’Aspartat (Asp), el qual acceptarà el grup fosfat del PhoQ. Aquesta modificació es propagarà fins a l'extrem C-terminal de la proteïna PhoP afectant les propietats d’unió amb el DNA.
En el cas del sistema regulador de dos components d'Escherichia coli, el grup fosforil transferit des de PhoQ, s'utilitza per estabilitzar la conformació activa de PhoP (PhoP ~ P) induint la seva dimerització. Aquesta dimerització indueix a una millor afinitat de la proteïna PhoP amb el material genètic. En canvi, en el sistema regulador de dos components de Salmonella enterica s'ha demostrat que no necessàriament s'ha de produir una dimerització, ja que en solució l'estat monomèric de PhoP i l'estat dimèric de PhoP estan en un equilibri dinàmic.

### Desfosforilació de PhoP

Quan hi ha altes concentracions de Mg$^{2+}$ (o altres ions divalents) en el medi es produeix la desfosforilació de PhoP, amb l'alliberació d'un fòsfor inorgànic. Per tant, el Mg$^{2+}$ indueix l'activitat fosfatasa en la PhoQ que desfosforila a PhoP. L'activitat cinasa de PhoQ es manté sempre constant, mentre que els diferents estímuls fan variar l'activitat fosfatasa.
En conclusió, es pot afirmar que en medis amb baixa concentració de Mg$^{2+}$ predomina l'activitat cinasa induint a una major formació de PhoP ~ P (PhoP activitat) i, al seu temps, induint l'expressió de gens necessaris per al supervivència de la cèl·lula. En canvi, quan es donen concentracions milimolars de Mg$^{2+}$ en el medi, aquest catió interactua amb el domini periplàsmic de PhoQ desplaçant l'equilibri cap a un estat fosfatasa. En aquestes condicions, el PhoP ~ P es desfosforila i l'expressió dels gens finalitza.

## Referències

* 1 2 3 Groisman, Eduardo A. «The Pleiotropic Two-Component Regulatory System PhoP-PhoQ». Journal of Bacteriology, 183, 6, 01-03-2001, pàg. 1835–1842. DOI: 10.1128/JB.183.6.1835-1842.2001. ISSN: 0021-9193. PMID: 11222580.
* ↑ Hoch, James A «Two-component and phosphorelay signal transduction». Current Opinion in Microbiology, 3, 2, 01-04-2000, pàg. 165–170. DOI: 10.1016/s1369-5274(00)00070-9. ISSN: 1369-5274.
* ↑ Mack, Timothy R.; Gao, Rong; Stock, Ann M. «Probing the Roles of the Two Different Dimers Mediated by the Receiver Domain of the Response Regulator PhoB» (en anglès). Journal of Molecular Biology, 389, 2, 01-06-2009, pàg. 349–364. DOI: 10.1016/j.jmb.2009.04.014. PMC: PMC2716121. PMID: 19371748.
* ↑ Kato, Akinori; Groisman, Eduardo A. The PhoQ/PhoP Regulatory Network of Salmonella enterica (en anglès). 631. New York, NY: Springer New York, 2008, p. 7–21. DOI 10.1007/978-0-387-78885-2_2. ISBN 978-0-387-78884-5.
* ↑ Groisman, E. A.; Parra-Lopez, C.; Salcedo, M.; Lipps, C. J.; Heffron, F. «Resistance to host antimicrobial peptides is necessary for Salmonella virulence». Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 89, 24, 15-12-1992, pàg. 11939–11943. DOI: 10.1073/pnas.89.24.11939. ISSN: 0027-8424. PMID: 1465423.
* 1 2 Choi, Jeongjoon; Groisman, Eduardo A. «Acidic pH sensing in the bacterial cytoplasm is required for Salmonella virulence» (en anglès). Molecular Microbiology, 101, 6, 2016, pàg. 1024–1038. DOI: 10.1111/mmi.13439. ISSN: 1365-2958. PMC: PMC5015592. PMID: 27282333.
* ↑ Yuan, Jing; Jin, Fan; Glatter, Timo; Sourjik, Victor «Osmosensing by the bacterial PhoQ/PhoP two-component system» (en anglès). Proceedings of the National Academy of Sciences, 114, 50, 12-12-2017, pàg. E10792–E10798. DOI: 10.1073/pnas.1717272114. ISSN: 0027-8424. PMID: 29183977.
* 1 2 «AlphaFold Protein Structure Database». [Consulta: 10 novembre 2021].
* 1 2 «UniProtKB - P0DM80 (PHOQ_SALTY)». UniProt Consortium, 10-04-2018. [Consulta: 30 octubre 2021].
* ↑ Sanowar, Sarah; Martel, Alexandre; Moual, Hervé Le «[http://dx.doi.org/10.1128/jb.185.6.1935-1941.2003 Mutational Analysis of the Residue at Position 48 in the Salmonella enterica Serovar Typhimurium PhoQ Sensor Kinase]». Journal of Bacteriology, 185, 6, 15-03-2003, pàg. 1935–1941. DOI: 10.1128/jb.185.6.1935-1941.2003. ISSN: 0021-9193.
* ↑ Cho, Uhn Soo; Bader, Martin W.; Amaya, Maria F.; Daley, Margaret E.; Klevit, Rachel E. «Metal Bridges between the PhoQ Sensor Domain and the Membrane Regulate Transmembrane Signaling». Journal of Molecular Biology, 356, 5, 01-03-2006, pàg. 1193–1206. DOI: 10.1016/j.jmb.2005.12.032. ISSN: 0022-2836.
* 1 2 Guarnieri, Michael T.; Zhang, Lingdi; Shen, Jingping; Zhao, Rui «The Hsp90 Inhibitor Radicicol Interacts with the ATP-Binding Pocket of Bacterial Sensor Kinase PhoQ». Journal of Molecular Biology, 379, 1, 01-05-2008, pàg. 82–93. DOI: 10.1016/j.jmb.2008.03.036. ISSN: 0022-2836.
* ↑ Hicks, Kevin G; Delbecq, Scott P; Sancho-Vaello, Enea; Blanc, Marie-Pierre; Dove, Katja K «Acidic pH and divalent cation sensing by PhoQ are dispensable for systemic salmonellae virulence» (en anglès). eLife, 4, 23-05-2015, pàg. e06792. DOI: 10.7554/eLife.06792. ISSN: 2050-084X.
* ↑ «Noncoding RNA and Gene Expression | Learn Science at Scitable» (en anglès). [Consulta: 10 novembre 2021].
* ↑ OncologyPRO. «Homodímero» (en espanyol europeu). [Consulta: 5 novembre 2021].
* 1 2 «PhoP Regulatory Domain - Proteopedia, life in 3D» (en anglès). [Consulta: 8 novembre 2021].
* 1 2 3 4 Barrett, John F.; Hoch, James A. «Two-Component Signal Transduction as a Target for Microbial Anti-Infective Therapy». Antimicrobial Agents and Chemotherapy, 42, 7, 01-07-1998, pàg. 1529–1536. ISSN: 0066-4804. PMID: 9660978.
* 1 2 3 4 5 6 Castelli, Marı́a E.; Véscovi, Eleonora Garcı́a; Soncini, Fernando C. «The Phosphatase Activity Is the Target for Mg2+ Regulation of the Sensor Protein PhoQ in Salmonella*» (en anglès). Journal of Biological Chemistry, 275, 30, 28-07-2000, pàg. 22948–22954. DOI: 10.1074/jbc.M909335199. ISSN: 0021-9258. PMID: 10807931.
* ↑ Véscovi, Elenora García; Ayala, Youhna M.; Cera, Enrico Di; Groisman, Eduardo A. «Characterization of the Bacterial Sensor Protein PhoQ: EVIDENCE FOR DISTINCT BINDING SITES FOR Mg2+ AND Ca2+*» (en anglès). Journal of Biological Chemistry, 272, 3, 17-01-1997, pàg. 1440–1443. DOI: 10.1074/jbc.272.3.1440. ISSN: 0021-9258. PMID: 8999810.
* 1 2 3 4 Véscovi, Eleonora García; Soncini, Fernando C.; Groisman, Eduardo A. «Mg2+ as an Extracellular Signal: Environmental Regulation of Salmonella Virulence» (en anglès). Cell, 84, 1, 12-01-1996, pàg. 165–174. DOI: 10.1016/S0092-8674(00)81003-X. ISSN: 0092-8674. PMID: 8548821.
* ↑ «Elsevier Enhanced Reader» (en anglès). [Consulta: 8 novembre 2021].
* ↑ Perron-Savard, Philippe; De Crescenzo, Gregory; Moual, Hervé Le «Dimerization and DNA binding of the Salmonella enterica PhoP response regulator are phosphorylation independent». Microbiology (Reading, England), 151, Pt 12, 01-12-2005, pàg. 3979–3987. DOI: 10.1099/mic.0.28236-0. ISSN: 1350-0872. PMID: 16339942.