The gene rpoS (RNA polymerase, sigma S, also called katF) encodes the sigma factorsigma-38 (σ38, or RpoS), a 37.8 kD protein in Escherichia coli.^[1][2] Sigma factors are proteins that regulate transcription in bacteria. Sigma factors can be activated in response to different environmental conditions. rpoS is transcribed in late exponential phase, and RpoS is the primary regulator of stationary phase genes. RpoS is a central regulator of the general stress response and operates in both a retroactive and a proactive manner: it not only allows the cell to survive environmental challenges, but it also prepares the cell for subsequent stresses (cross-protection).^[3] The transcriptional regulator CsgD is central to biofilm formation, controlling the expression of the curli structural and export proteins, and the diguanylate cyclase, adrA, which indirectly activates cellulose production.^[4] The rpoS gene most likely originated in the gammaproteobacteria.^[3]

Regulatory mechanisms that control RpoS exist at various levels of gene and protein organization: transcription, translation, degradation, and protein activity. These processes occur in response to stresses such as near-UV radiation, acid, temperature or osmotic shock, oxidative stress, and nutrient deprivation. While many key regulatory entities have been identified in these areas, the precise mechanisms by which they signal rpoS transcription, translation, proteolysis or activity remain largely uncharacterized.

การถอดรหัสrpoSในE. coliส่วนใหญ่ถูกควบคุมโดยโปรโมเตอร์ rpoSp บนโครโมโซม^{[ 5 ]} rpoSp ส่งเสริมการถอดรหัส mRNA ของrpoSและถูกเหนี่ยวนำเมื่อเข้าสู่ระยะนิ่งในเซลล์ที่เติบโตบนอาหารเลี้ยงเชื้อที่อุดมสมบูรณ์ผ่านกลไกที่ไม่ทราบแน่ชัด^{[ 6 ]} ด้านข้างของ rpoSp มีไซต์การจับ cAMP -CRP (cyclic AMP-cAMP receptor protein ) สองไซต์ที่ดูเหมือนจะควบคุม การถอดรหัส rpoSในลักษณะที่เป็นปฏิปักษ์กัน ตำแหน่งของไซต์แรกที่อยู่เหนือ โปรโมเตอร์ rpoS หลัก สอดคล้องกับ "ตัวกระตุ้นแบบคลาสสิก" ที่พบใน โปรโมเตอร์ lac เช่นเดียวกัน ซึ่งบ่งชี้ว่าผลกระทบต่อการถอดรหัสเป็นการกระตุ้น (Lange และ Hengge-Aronis, 1994) ในทางตรงกันข้าม ตำแหน่งของไซต์ cAMP-CRP ที่สองบ่งชี้ถึงการกระทำที่ยับยั้ง ในระยะการเจริญเติบโตแบบทวีคูณ กลายพันธุ์ crpแสดงระดับการแสดงออกของrpoS สูง ซึ่งบ่งชี้ว่า cAMP-CRP ยับยั้ง การถอดรหัส rpoSในทางกลับกัน เมื่อเข้าสู่ระยะคงที่ cAMP-CRP อาจเพิ่ม การถอดรหัส rpoS (Hengge-Aronis, 2002) แม้ว่าข้อสังเกตเหล่านี้อาจอธิบายลักษณะสองด้านของตำแหน่งการจับของ cAMP-CRP ได้ แต่ก็จำเป็นต้องมีคำอธิบายเกี่ยวกับการคัดเลือกการกระตุ้นตำแหน่ง cAMP-CRP ที่ขึ้นอยู่กับระยะ เพื่ออธิบายข้อมูลที่ขัดแย้งกันได้อย่างครบถ้วน การควบคุมการถอดรหัสrpoS เพิ่มเติม ได้แก่ BarA ซึ่งเป็นไคเนสเซนเซอร์ฮิสติดีน ที่สามารถกระตุ้น OmpR และส่งเสริมการสังเคราะห์พอริน ระดับของโมเลกุลขนาดเล็ก เช่นppGpppซึ่งอาจขัดขวางการยืดตัวหรือความเสถียรของการถอดรหัสเพื่อตอบสนองต่อการจำกัดกรดอะมิโน หรือการขาดแคลนคาร์บอน ไนโตรเจน หรือฟอสฟอรัส (Gentry et al. , 1993) แม้ว่าจะมีกลไกควบคุม การถอดรหัส rpoS มากมาย แต่ระดับ mRNA ของ rpoSในเซลล์ ยังคงสูงในช่วงระยะการเจริญเติบโตแบบทวีคูณ และ สิ่งกระตุ้นจากภายนอกเซลล์ส่วนใหญ่ไม่ได้ส่งผลกระทบต่อการถอดรหัส rpoS อย่างมีนัยสำคัญ

การแสดงออกของ RpoS ส่วนใหญ่ถูกกำหนดที่ระดับการแปล^{[ 7 ]} sRNA ( RNA ขนาดเล็กที่ไม่เข้ารหัส ) รับรู้การเปลี่ยนแปลงของสิ่งแวดล้อมและเพิ่ม การแปล mRNA ของ rpoSเพื่อให้เซลล์สามารถปรับตัวให้เข้ากับความเครียดภายนอกได้ โปรโมเตอร์ของ sRNA DsrA ขนาด 85 นิวคลีโอไทด์ มีเทอร์โมคอนโทรลการเริ่มต้นการถอดรหัสที่ไวต่ออุณหภูมิ เนื่องจากจะถูกยับยั้งที่อุณหภูมิสูง (42˚C) แต่จะกระตุ้น (อาจโดยการจับคู่ที่เสริมกัน) rpoSที่อุณหภูมิต่ำ (25˚C) ^{[ 8 ]} sRNA อีกชนิดหนึ่งคือRprAกระตุ้น การแปล rpoSเพื่อตอบสนองต่อความเครียดที่พื้นผิวเซลล์ที่ส่งสัญญาณผ่านเซนเซอร์ไคเน ส RcsC ^{[ 8 ]} sRNA ชนิดที่สามคือ OxyS ถูกควบคุมโดย OxyR ซึ่งเป็นเซนเซอร์หลักของภาวะช็อกออกซิเดชัน^{[ 9 ]} กลไกที่ OxyS เข้าไปรบกวนประสิทธิภาพการแปล mRNA ของ rpoSยังไม่เป็นที่ทราบแน่ชัด อย่างไรก็ตาม โปรตีนที่จับกับ RNA ชื่อ Hfqมีส่วนเกี่ยวข้องในกระบวนการนี้^{[ 10 ]} Hfq จับกับmRNA ของ rpoS ในหลอดทดลองและอาจปรับเปลี่ยน โครงสร้าง mRNA ของ rpoSเพื่อการแปลที่เหมาะสมที่สุด Hfq กระตุ้นทั้ง DsrA และ RprA ในทางตรงกันข้าม LeuO ยับยั้ง การแปล rpoSโดยการยับยั้ง การแสดงออกของ dsrAและโปรตีนคล้ายฮิสโตน HN-S (และพาราล็อก StpA) ยับยั้ง การแปล rpoSผ่านกลไกที่ไม่ทราบแน่ชัด นอกจากนี้ H-NS, LeuO, Hfq และ DsrA ยังสร้างเครือข่ายควบคุมที่เชื่อมโยงกันซึ่งควบคุมการแปล rpoS ในที่สุด

นอกจากนี้ ยังพบว่าการแปล RpoS ถูกควบคุมในแบคทีเรียสายพันธุ์อื่น นอกเหนือจาก Escherichia coli ด้วย เช่น ในเชื้อก่อโรคฉวยโอกาสในมนุษย์Pseudomonas aeruginosa sRNA ReaL จะยับยั้งการแปล mRNA ของ rpoS ^{[ 11 ]}

การสลายโปรตีน RpoS เป็นอีกระดับหนึ่งของการควบคุมปัจจัยซิกมา การสลายเกิดขึ้นผ่าน ClpXP ซึ่งเป็นโปรตีเอสรูปทรงกระบอกที่ประกอบด้วยวงแหวนหกหน่วยย่อยสองวงของชาเปอโรน ClpX ที่ขึ้นอยู่กับ ATP ซึ่งล้อมรอบวงแหวนเจ็ดหน่วยย่อยสองวงของ ClpP (Repoila et al. , 2003) ตัวควบคุมการตอบสนอง RssB ได้รับการระบุว่าเป็นปัจจัยการรับรู้เฉพาะของ σS ที่มีความสำคัญต่อการสลาย RpoS ปัจจัยเพิ่มเติมที่ทราบว่าควบคุมการสลายโปรตีน RpoS แต่ผ่านกลไกที่ยังไม่ได้รับการอธิบายอย่างสมบูรณ์ ได้แก่ RssA ซึ่งพบในโอเปรอนเดียวกันกับ RssB; H-NS และ DnaK ซึ่งทั้งสองตัวยังควบคุม การแปล mRNA ของ rpoSและ LrhA; และอะเซทิลฟอสเฟตส่งผลต่อการสลายโปรตีน RpoS โดยอาจทำหน้าที่เป็นผู้ให้ฟอสฟอริลแก่ RssB

RpoS มีบทบาทในการควบคุมหลักของการตอบสนองต่อความเครียดของแบคทีเรีย โดยทำหน้าที่ควบคุมการแสดงออกของยีนที่เกี่ยวข้องกับการตอบสนองต่อความเครียด ซึ่งแบ่งออกเป็นหมวดหมู่การทำงานต่างๆ ได้แก่ ความต้านทานต่อความเครียด รูปร่างของเซลล์การ เผาผลาญ ความรุนแรงของ โรค และการสลายตัวของเซลล์

ยีนจำนวนมากที่อยู่ภายใต้การควบคุมของ RpoS ทำให้เกิดความต้านทานต่อความเครียดจากการโจมตี เช่นความเสียหายของ DNAการมีอยู่ของอนุมูลอิสระออกซิเจนและภาวะช็อกจากออสโมซิสผลิตภัณฑ์ของxthAคือเอ็กโซนิวคลีเอสที่ทำหน้าที่ซ่อมแซม DNA โดยการจดจำและกำจัดโมโนฟอสเฟต 5' ใกล้กับตำแหน่งที่ไม่มีเบสใน DNA ที่เสียหาย^{[ 12 ]} ในทำนองเดียวกัน คาตาเลส HPI และ HPII ซึ่งเข้ารหัสโดยkatGและkatEจะเปลี่ยนโมเลกุลไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ที่เป็นอันตรายให้เป็นน้ำและออกซิเจน^{[ 13 ]} ผลิตภัณฑ์ของยีนotsBA คือ เทรฮาโลสทำหน้าที่เป็นสารปกป้องออสโมซิสและจำเป็นต่อความต้านทานต่อการขาดน้ำ^{[ 14 ]} ปัจจัยเพิ่มเติมที่ขึ้นอยู่กับ RpoS ที่เกี่ยวข้องกับความเครียดจากออกซิเดชัน ได้แก่กลูตาไธโอนรีดักเทส (เข้ารหัสโดยgor ) และซูเปอร์ออกไซด์ดิสมิวเทส (เข้ารหัสโดยsodC ) ^{[ 15 ]}

จากการวิเคราะห์โปรตีโอมิกส์เชิงเปรียบเทียบกับ B. pseudomalleiพบว่าrpoS ควบคุมโปรตีนที่ตอบสนองต่อออกซิเดชัน 8 ชนิด รวมถึง ScoA (หน่วยย่อยของ SCOT) ซึ่งก่อนหน้านี้ไม่เคยทราบมาก่อนว่ามีส่วนเกี่ยวข้องกับการตอบสนองต่อความเครียดจากออกซิเดชัน ผลของการควบคุมในกรณีนี้คือการลดการแสดงออกของ SCOT โดย RpoS เพื่อตอบสนองต่อความเครียดจากออกซิเดชันในB. pseudomallei ^{[ 16 ]}

ยีนที่ขึ้นอยู่กับ RpoS ซึ่งเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงการซึมผ่านของเยื่อหุ้มเซลล์และสัณฐานวิทยาของเซลล์โดยทั่วไปส่วนใหญ่เป็นของตระกูลยีนosm osmBเข้ารหัสโปรตีนไลโปโปรตีนของเยื่อหุ้มเซลล์ชั้นนอกซึ่งอาจมีบทบาทในการรวมกลุ่มของเซลล์ (Jung et al. , 1990) ^{[ 16 ]}ในขณะที่osmYเข้ารหัสโปรตีนเพริพลาสมิก ปัจจัยเพิ่มเติมที่ขึ้นอยู่กับ RpoS ที่กำหนดขนาดและรูปร่างของเซลล์ ได้แก่ มอร์โฟยีนbolAและผลิตภัณฑ์ของ โอเปรอน ftsQAZซึ่งมีบทบาทในการกำหนดเวลาของการแบ่งเซลล์^{[ 5 ]} การควบคุมรูปร่างของเซลล์ การแบ่งเซลล์ และปฏิสัมพันธ์ระหว่างเซลล์น่าจะมีความสำคัญในการยับยั้งการแพร่กระจายของเซลล์ และด้วยเหตุนี้จึงจัดสรรทรัพยากรให้กับการอยู่รอดของเซลล์ในช่วงเวลาที่เกิดความเครียด

สภาวะการอยู่รอดที่เหมาะสมที่สุดในเชิงเมตาบอลิซึม ได้แก่ การลด กิจกรรม ของวัฏจักรเครบส์ที่ขึ้น อยู่กับ RpoS และการเพิ่มกิจกรรมไกลโคไลซิสเพื่อจำกัดอนุมูลอิสระที่เกิดขึ้นจากกระบวนการสำคัญของเซลล์ การ เข้าสู่ของ ไพรูเวทในวัฏจักรเครบส์ถูกยับยั้งโดยผลิตภัณฑ์ของยีนpoxB ที่ขึ้นอยู่กับ RpoS การชะลอตัวโดยรวมของกิจกรรมเมตาบอลิซึมสอดคล้องกับการอนุรักษ์พลังงานและการลดการเจริญเติบโตในช่วงเวลาที่เกิดความเครียด

ในฐานะกลไกการป้องกัน สภาพแวดล้อมของโฮสต์เป็นศัตรูต่อเชื้อโรคที่รุกราน ดังนั้น การติดเชื้อจึงอาจเป็นเหตุการณ์ที่สร้างความเครียดให้กับแบคทีเรียก่อโรค และการควบคุมยีนก่อโรคอาจมีความสัมพันธ์เชิงเวลากับช่วงเวลาของการติดเชื้อโดยเชื้อโรค^{[ 17 ]} การค้นพบยีนก่อโรคที่ขึ้นอยู่กับ RpoS ในSalmonellaสอดคล้องกับ RpoS ในฐานะตัวควบคุมทั่วไปของการตอบสนองต่อความเครียด: ยีน spvที่พบในพลาสมิดก่อโรคในแบคทีเรียนี้ถูกควบคุมโดย RpoS และจำเป็นสำหรับการเจริญเติบโตในเนื้อเยื่อน้ำเหลืองส่วนลึก เช่น ม้ามและตับ^{[ 18 ]}

RpoS ยังมีบทบาทสำคัญในการควบคุมการสลายเซลล์ ร่วมกับ OmpR มันจะควบคุม ยีน entericidin ( ecnAB ) ซึ่งเข้ารหัสสารพิษที่ทำให้เกิดการสลายเซลล์^{[ 19 ]} ในทางตรงกันข้ามssnAถูกควบคุมในเชิงลบโดย RpoS แต่ก็ยังส่งเสริมการสลายเซลล์ด้วย ในทางที่ขัดแย้งกัน การสลายเซลล์ถูกมองว่าเป็นกระบวนการเอาชีวิตรอดในบางบริบท