Microbiology and Molecular Biology Reviews

Cellular differentiation, mating, and filamentous growth are regulated in many fungi by environmental and nutritional signals. For example, in response to nitrogen limitation, diploid cells of the yeast Saccharomyces cerevisiae undergo a dimorphic transition to filamentous growth referred to as pseudohyphal differentiation. Yeast filamentous growth is regulated, in part, by two conserved signal transduction cascades: a mitogen-activated protein kinase cascade and a G-protein regulated cyclic AMP signaling pathway. Related signaling cascades play an analogous role in regulating mating and virulence in the plant fungal pathogen Ustilago maydis and the human fungal pathogens Cryptococcus neoformans and Candida albicans. We review here studies on the signaling cascades that regulate development of these and other fungi. This analysis illustrates both how the model yeast S. cerevisiae can serve as a paradigm for signaling in other organisms and also how studies in other fungi provide insights into conserved signaling pathways that operate in many divergent organisms.

Recent advances in molecular biology have extended our understanding of the metabolic processes related to microbial transformation of petroleum hydrocarbons. The physiological responses of microorganisms to the presence of hydrocarbons, including cell surface alterations and adaptive mechanisms for uptake and efflux of these substrates, have been characterized. New molecular techniques have enhanced our ability to investigate the dynamics of microbial communities in petroleum-impacted ecosystems. By establishing conditions which maximize rates and extents of microbial growth, hydrocarbon access, and transformation, highly accelerated and bioreactor-based petroleum waste degradation processes have been implemented. Biofilters capable of removing and biodegrading volatile petroleum contaminants in air streams with short substrate-microbe contact times (<60 s) are being used effectively. Microbes are being injected into partially spent petroleum reservoirs to enhance oil recovery. However, these microbial processes have not exhibited consistent and effective performance, primarily because of our inability to control conditions in the subsurface environment. Microbes may be exploited to break stable oilfield emulsions to produce pipeline quality oil. There is interest in replacing physical oil desulfurization processes with biodesulfurization methods through promotion of selective sulfur removal without degradation of associated carbon moieties. However, since microbes require an environment containing some water, a two-phase oil-water system must be established to optimize contact between the microbes and the hydrocarbon, and such an emulsion is not easily created with viscous crude oil. This challenge may be circumvented by application of the technology to more refined gasoline and diesel substrates, where aqueous-hydrocarbon emulsions are more easily generated. Molecular approaches are being used to broaden the substrate specificity and increase the rates and extents of desulfurization. Bacterial processes are being commercialized for removal of H₂S and sulfoxides from petrochemical waste streams. Microbes also have potential for use in removal of nitrogen from crude oil leading to reduced nitric oxide emissions provided that technical problems similar to those experienced in biodesulfurization can be solved. Enzymes are being exploited to produce added-value products from petroleum substrates, and bacterial biosensors are being used to analyze petroleum-contaminated environments.

Porphyromonas gingivalis, a gram-negative anaerobe, is a major etiological agent in the initiation and progression of severe forms of periodontal disease. An opportunistic pathogen, P. gingivalis can also exist in commensal harmony with the host, with disease episodes ensuing from a shift in the ecological balance within the complex periodontal microenvironment. Colonization of the subgingival region is facilitated by the ability to adhere to available substrates such as adsorbed salivary molecules, matrix proteins, epithelial cells, and bacteria that are already established as a biofilm on tooth and epithelial surfaces. Binding to all of these substrates may be mediated by various regions of P. gingivalis fimbrillin, the structural subunit of the major fimbriae. P. gingivalis is an asaccharolytic organism, with a requirement for hemin (as a source of iron) and peptides for growth. At least three hemagglutinins and five proteinases are produced to satisfy these requirements. The hemagglutinin and proteinase genes contain extensive regions of highly conserved sequences, with posttranslational processing of proteinase gene products contributing to the formation of multimeric surface protein-adhesin complexes. Many of the virulence properties of P. gingivalis appear to be consequent to its adaptations to obtain hemin and peptides. Thus, hemagglutinins participate in adherence interactions with host cells, while proteinases contribute to inactivation of the effector molecules of the immune response and to tissue destruction. In addition to direct assault on the periodontal tissues, P. gingivalis can modulate eucaryotic cell signal transduction pathways, directing its uptake by gingival epithelial cells. Within this privileged site, P. gingivalis can replicate and impinge upon components of the innate host defense. Although a variety of surface molecules stimulate production of cytokines and other participants in the immune response, P. gingivalis may also undertake a stealth role whereby pivotal immune mediators are selectively inactivated. In keeping with its strict metabolic requirements, regulation of gene expression in P. gingivalis can be controlled at the transcriptional level. Finally, although periodontal disease is localized to the tissues surrounding the tooth, evidence is accumulating that infection with P. gingivalis may predispose to more serious systemic conditions such as cardiovascular disease and to delivery of preterm infants.

Members of the ATP-binding cassette (ABC) transporter superfamily exist in bacteria, fungi, plants, and animals and play key roles in the efflux of xenobiotic compounds, physiological substrates, and toxic intracellular metabolites. Based on sequence relatedness, mammalian ABC proteins have been divided into seven subfamilies, ABC subfamily A (ABCA) to ABCG. This review focuses on recent advances in our understanding of ABC transporters in the model organism Saccharomyces cerevisiae . We propose a revised unified nomenclature for the six yeast ABC subfamilies to reflect the current mammalian designations ABCA to ABCG. In addition, we specifically review the well-studied yeast ABCC subfamily (formerly designated the MRP/CFTR subfamily), which includes six members (Ycf1p, Bpt1p, Ybt1p/Bat1p, Nft1p, Vmr1p, and Yor1p). We focus on Ycf1p, the best-characterized yeast ABCC transporter. Ycf1p is located in the vacuolar membrane in yeast and functions in a manner analogous to that of the human multidrug resistance-related protein (MRP1, also called ABCC1), mediating the transport of glutathione-conjugated toxic compounds. We review what is known about Ycf1p substrates, trafficking, processing, posttranslational modifications, regulation, and interactors. Finally, we discuss a powerful new yeast two-hybrid technology called integrated membrane yeast two-hybrid (iMYTH) technology, which was designed to identify interactors of membrane proteins. iMYTH technology has successfully identified novel interactors of Ycf1p and promises to be an invaluable tool in future efforts to comprehensively define the yeast ABC interactome.

The phosphoenolpyruvate(PEP):carbohydrate phosphotransferase system (PTS) is found only in bacteria, where it catalyzes the transport and phosphorylation of numerous monosaccharides, disaccharides, amino sugars, polyols, and other sugar derivatives. To carry out its catalytic function in sugar transport and phosphorylation, the PTS uses PEP as an energy source and phosphoryl donor. The phosphoryl group of PEP is usually transferred via four distinct proteins (domains) to the transported sugar bound to the respective membrane component(s) (EIIC and EIID) of the PTS. The organization of the PTS as a four-step phosphoryl transfer system, in which all P derivatives exhibit similar energy (phosphorylation occurs at histidyl or cysteyl residues), is surprising, as a single protein (or domain) coupling energy transfer and sugar phosphorylation would be sufficient for PTS function. A possible explanation for the complexity of the PTS was provided by the discovery that the PTS also carries out numerous regulatory functions. Depending on their phosphorylation state, the four proteins (domains) forming the PTS phosphorylation cascade (EI, HPr, EIIA, and EIIB) can phosphorylate or interact with numerous non-PTS proteins and thereby regulate their activity. In addition, in certain bacteria, one of the PTS components (HPr) is phosphorylated by ATP at a seryl residue, which increases the complexity of PTS-mediated regulation. In this review, we try to summarize the known protein phosphorylation-related regulatory functions of the PTS. As we shall see, the PTS regulation network not only controls carbohydrate uptake and metabolism but also interferes with the utilization of nitrogen and phosphorus and the virulence of certain pathogens.

Việc phát hiện rằng virus có thể là những sinh vật phong phú nhất trong các nguồn nước tự nhiên, vượt xa số lượng vi khuẩn đến một bậc thang, đã khơi dậy sự quan tâm trở lại đối với virus trong môi trường thủy sinh. Thật ngạc nhiên là rất ít điều được biết về sự tương tác giữa virus và vật chủ của chúng trong tự nhiên. Trong thập kỷ qua kể từ khi các báo cáo về số lượng virus cực lớn được công bố, việc đếm virus trong các môi trường thủy sinh đã chứng minh rằng virioplankton là các thành phần năng động của plankton, thay đổi một cách đáng kể về số lượng theo vị trí địa lý và mùa. Các bằng chứng cho đến nay cho thấy rằng các cộng đồng virioplankton chủ yếu được cấu thành từ các bacteriophage và, ít hơn, là các virus sinh vật nguyên sinh (algal viruses). Ảnh hưởng của sự nhiễm virus và sự ly giải lên các cộng đồng vật chủ vi khuẩn và phức hợp fitoplankton có thể được đo lường sau khi các phương pháp mới được phát triển và kiến thức trước đó về sinh vật học của bacteriophage được đưa vào các khái niệm về tương tác giữa ký sinh trùng và cộng đồng vật chủ. Các phương pháp mới đã cung cấp dữ liệu cho thấy sự nhiễm virus có thể có ảnh hưởng đáng kể đến các quần thể vi khuẩn và tảo đơn bào, củng cố giả thuyết rằng virus đóng một vai trò quan trọng trong các mạng lưới thức ăn vi sinh vật. Ngoài việc tiêu diệt giới hạn số lượng vi khuẩn và fitoplankton, tính chất cụ thể của sự tương tác giữa virus và vật chủ đặt ra khả năng thú vị rằng nhiễm virus ảnh hưởng đến cấu trúc và sự đa dạng của các cộng đồng vi sinh vật thủy sinh. Những ứng dụng mới của các kỹ thuật di truyền phân tử đã cung cấp bằng chứng tốt rằng sự nhiễm virus có thể ảnh hưởng đáng kể đến thành phần và sự đa dạng của các cộng đồng vi sinh vật thủy sinh.

Các con đường tín hiệu bảo tồn kích hoạt protein kinase được điều hòa bởi yếu tố tăng trưởng (MAPKs) tham gia vào việc truyền tải các kích thích ngoại bào đến các phản ứng nội bào. Các MAPKs đồng thời điều chỉnh quá trình sinh sản tế bào, phân hóa, di động và tồn tại, những chức năng cũng được biết đến là do các thành viên trong một gia đình đang gia tăng các protein kinase được kích hoạt bởi MAPK (MKs; trước đây được gọi là protein kinase MAPKAP) thực hiện. Các MK liên quan đến protein kinase serine/threonine phản ứng với các kích thích nguyên nhân tăng trưởng và căng thẳng thông qua sự phosphoryl hóa chỉ đạo proline và kích hoạt miền kinase bởi các protein kinase ERK 1 và 2 và p38 MAPK. Hiện tại có 11 MK động vật có vú trong năm tiểu gia đình dựa trên tính tương đồng của chuỗi amino acid chính: các protein kinase S6 ribosome, các protein kinase được kích hoạt bởi yếu tố tăng trưởng và căng thẳng, các protein kinase tương tác với MAPK, protein kinase được kích hoạt bởi MAPK 2 và 3, và MK5. Trong vòng 5 năm qua, một số cơ chất MK đã được xác định, điều này đã giúp rất nhiều trong việc xác định vai trò sinh học của các thành viên thuộc gia đình này. Cùng với dữ liệu từ nghiên cứu các chuột knockout MK, danh tính của các cơ chất MK chỉ ra rằng chúng đóng vai trò quan trọng trong nhiều quá trình sinh học khác nhau, bao gồm dịch mã mRNA, sinh sản và sự tồn tại của tế bào, và phản ứng gen hạt nhân với các yếu tố tăng trưởng và căng thẳng tế bào. Trong bài viết này, chúng tôi xem xét dữ liệu hiện có về các MK và thảo luận về chức năng sinh lý của chúng dựa trên các phát hiện gần đây.

Các tác nhân gây bệnh thực vật và động vật gram âm khác nhau sử dụng một hệ thống tiết protein độc lập với sec như một cơ chế gây độc cơ bản. Ngày càng rõ ràng rằng các hệ thống tiết loại III được gọi là này tiêm (đưa vào) protein vào trong tế bào chất của tế bào eukaryotic, nơi mà các protein được đưa vào hỗ trợ cho quá trình gây bệnh của vi khuẩn bằng cách can thiệp đặc hiệu vào quá trình truyền tín hiệu của tế bào chủ và các quá trình tế bào khác. Theo đó, một số hệ thống tiết loại III được kích hoạt bởi sự tiếp xúc của vi khuẩn với bề mặt tế bào chủ. Các hệ thống tiết loại III riêng lẻ dẫn hướng cho việc tiết và chuyển vị một loạt các protein không liên quan, điều này tạo ra các kiểu hình gây bệnh đặc hiệu cho từng loài. Ngược lại với các yếu tố virulence được tiết ra, hầu hết trong số 15 đến 20 protein liên kết màng tạo thành hệ thống tiết loại III là được bảo tồn giữa các tác nhân gây bệnh khác nhau. Hầu hết các thành phần màng trong của hệ thống tiết loại III cho thấy tính tương đồng bổ sung với các protein tổng hợp cấu trúc đuôi, trong khi một yếu tố màng ngoài bảo tồn tương tự như các secretin từ loại II và các con đường tiết khác. Các chaperone có cấu trúc bảo tồn mà liên kết cụ thể với từng protein được tiết ra đóng vai trò quan trọng trong việc tiết protein loại III, rõ ràng bằng cách ngăn chặn các tương tác sớm không mong muốn của các yếu tố được tiết ra với các protein khác. Các gen mã hóa các hệ thống tiết loại III được nhóm lại, và nhiều bằng chứng cho thấy rằng các hệ thống này đã được tiếp nhận thông qua chuyển gen ngang trong quá trình tiến hóa. Sự biểu hiện của các hệ thống tiết loại III được điều chỉnh phối hợp in đáp ứng với các kích thích môi trường của tế bào chủ bởi các mạng lưới của các yếu tố phiên mã. Tổng quan này bao gồm sự so sánh về cấu trúc, chức năng, điều hòa và tác động của các hệ thống tiết loại III lên tế bào chủ trong các tác nhân gây bệnh động vật Yersinia spp., Pseudomonas aeruginosa, Shigella flexneri, Salmonella typhimurium, Escherichia coli gây bệnh đường ruột và Chlamydia spp. cũng như các tác nhân gây bệnh thực vật Pseudomonas syringae, Erwinia spp., Ralstonia solanacearum, Xanthomonas campestris và Rhizobium spp.