close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

8333.Cтруктурный анализ генома B. subtilis 168 на основе гомологии полифункционального гена arcA E. coli k12 substr

код для вставкиСкачать
ISSN 1810-0198. Вестник ТГУ, т.13, вып.5, 2008
УДК 577.21:577.3
СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ ГЕНОМА B. SUBTILIS 168
НА ОСНОВЕ ГОМОЛОГИИ ПОЛИФУНКЦИОНАЛЬНОГО ГЕНА
arcA E. COLI K12 substr. MG1655
 Л.Л. Фролова, С.В. Малков, А.С. Кузьмина
Ключевые слова: arcA E. coli, геномный анализ, B. subtilis.
В работе предпринята попытка определения структурной гомологии между полифункциональными генетическими локусами со сходным фенотипическим проявлением у E. coli (локус arcA) и B. subtilis (локус cin). Показано,
что локус arcA является высокополиморфным и имеет значимую степень гомологии лишь у представителей близких семейств.
ВВЕДЕНИЕ
В качестве модельных объектов в генетике микроорганизмов обычно используются E. coli и B. subtilis,
геномы которых полностью секвенированы в 1997 г.
[1, 2]. Но до сих пор проводится работа по поиску и
идентификации новых генов. Исходя из закона гомологических рядов Н.И. Вавилова [3], можно с некоторой
долей правдоподобия предположить, что гены со сходными функциями имеются у E. coli и B. subtilis и могут быть
локализованы в схожих регионах. Одним из таких генов
является полифункциональный локус гена arcA E. coli.
Известно, что ген arcA играет центральную роль в
регуляции аэробного дыхания E.coli. Комплементационный анализ показал, что ген arcA соответствует dye
гену и имеет синонимы – fexA, msp, seg, sfr, срх, cet изза различных фенотипических свойств [4]. Аллель dye
определяет чувствительность к метиленовому синему;
аллель seg участвует в процессе сегрегации половых
факторов; аллель fexA участвует в F-экспрессии; аллель
msp определяет чувствительность к мужским фагам;
аллель sfr участвует в sex-factor регуляции; аллель cpx –
в конъюгативной экспрессии плазмид; аллель cеt определяет устойчивость к колицинам [5].
В работе Р.А. Вафина показано, что субклоны
штамма В. subtilis SВ39-22, несущие мутацию треонинзависимости штамма B. subtilis var. niger КU-338, оказались алюминийзависимыми, устойчивыми к стрептомицину; к метиленовому синему, способными интенсивно окрашиваться метиленовым синим на агаризованной среде, способными формировать кристаллоподобные образования, и слабоустойчивыми к хлорамфениколу. Кроме того, один из субклонов проявлял увеличенную на порядок частоту генетической трансформации. Все эти признаки появились у В. subtilis SВ3922 вследствие передачи от B. subtilis var. niger КU-338
не только мутации треонинзависимости, но и генетического локуса, тесно сцепленного с ним. Было предположено, что таким локусом является cin-детерминант и
связанные с ним функции, гомологичные функциям
fexA, sfr, dye, cet E.coli [6].
В данной работе авторы попытались установить
структурную гомологию между локусами arcA E.coli
K12 substr. MG1655 и cin Bacillus subtilis 168, основываясь на их сходном фенотипическом проявлении
(функциональной гомологии).
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Поиск нуклеотидных и аминокислотных последовательностей проводился в базах данных на сайте NCBI:
GenBank/EMBL/DDBJ, GenPept (http://www.ncbi.nlm.
nih.gov). Поиск гомологичных последовательностей
проведен с использованием программ Blast (http://www.
ncbi.nlm.nih.gov). Для парного и множественного выравнивания последовательностей использовались программы: EMBOSS Pairwise Alignment Algorithms
(http://www.ebi.ac.uk/emboss/align/)
и
CLUSTALW
(http://www.ebi.ac.uk/Tools/clustalw2/index.html).
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Локализация гена arcA E.coli К12 substr.
MG1655. Полный геном E.coli К12 substr. MG1655 в
БД Genbank зарегистрирован под уникальным номером
NC_000913. Ген arcA E.coli К12 substr. MG1655 длиной
717 п.о. прочитан с комплементарной цепи, расположен в регионе 4637613 – 4638329 п.о. (99.96 минут) и
имеет уникальный номер GeneID: 948874 в БД Gene.
Аминокислотная последовательность ArcA E.coli
К12 substr. MG1655 длиной 238 а.о. зарегистрирована в
БД GenPept под уникальным номером NP_418818.
Нуклеотидная последовательность dye E.coli К12 substr.
MG1655 длиной 717 п.о. зарегистрирована в БД
GenBank под уникальным номером M10044, и на основе анализа, проведенного нами, полностью идентична
последовательности гена arcA. Аминокислотная после
довательность Dye E.coli К12 substr. MG1655 длиной
238 а.о. зарегистрирована в БД GenPept под уникальным номером AAA23718.
325
ISSN 1810-0198. Вестник ТГУ, т.13, вып.5, 2008
Анализ локализации полифункционального локусагена arcА Е.coli substr. MG1655 и у других организмов. Полифункциональный локус гена arcA найден
у 6 бактерий, и он расположен вблизи треонинового
оперона.
Локализация гена arcA E.coli K12 substr. MG1655
приведена на рис. 1.
Локализация гена arcA подобная E.coli наблюдается
у
организмов
Yersinia
pestis
CO92
(gi|30407161:481575-482291|emb|AL590842.1), Yersinia
pseudotuberculosis IP 32953 (gi|51594359:709608708892), Vibrio cholerae O395 chromosome 2
(gi|147673035:2077782-2078498).
У микроорганизма Erwinia carotovora subsp. atroseptica SCRI1043 (gi|50118965:4359083-4359799) полифункциональный ген arcA находится также вблизи
треонинового оперона, но их расположение инверсно
по сравнению с E.coli (рис. 2).
В геноме Yersinia enterocolitica subsp. enterocolitica
8081 найдено два гена arcA, один из которых поли-
функциональный находится вблизи треонинового оперона. Локализация полифункционального гена arcA
Yersinia enterocolitica subsp. enterocolitica 8081
(GeneID: 4713432) приведена на рис. 3.
Вблизи другого гена arcA не обнаружено наличие
треонинового оперона, он не имеет синонимов и выполняет единственную функцию – деградация аргинина, в результате чего можно сделать вывод, что этот
ген arcA является монофункциональным геном. Локализация монофункционального гена arcA Yersinia enterocolitica subsp. enterocolitica 8081 (GeneID: 4713212)
приведена на рис. 4.
Анализ локализации полифункционального гена arcA у разных бактерий показал, что он находится вблизи
треонинового оперона, но не сцеплен с ним тесно.
Наиболее близко полифункциональный ген arcA расположен к треониновому оперону thrA, thrB, thrC у
бактерий Yersinia pestis CO92 и . Escherichia coli str.
K-12 substr. MG1655 на расстоянии 1104 п.о. и 1536
п.о. соответственно.
Рис. 1. Локализация гена arcA E.coli K12 substr. MG1655
Рис. 2. Локализация гена arcA Erwinia carotovora subsp. atroseptica SCRI1043
Рис. 3. Локализация полифункционального гена arcA Yersinia enterocolitica subsp. enterocolitica 8081
Рис. 4. Локализация монофункционального гена arcA Yersinia enterocolitica subsp. enterocolitica 8081
326
ISSN 1810-0198. Вестник ТГУ, т.13, вып.5, 2008
Таблица 1
Расстояние между полифункциональным локусом
гена arcA у близкородственных организмов
Организм
Escherichia coli str. K-12
substr. MG1655
Erwinia carotovora
subsp. atroseptica
SCRI1043
Yersinia enterocolitica
subsp. enterocolitica
8081
Yersinia pestis CO92
Yersinia pseudotuberculosis IP 32953
Vibrio cholerae O395
arcA
Расстояние
thr-arcA,
п.о.
190–
5020
4637613–
4638329
1536
4354763–
4352538
4359083–
4359799
4320
fexA Vibrio cholerae
687253–
691937
683089–
683805
3448
Erwinia carotovora
subsp. atroseptica
SCRI1043
717
594/717
(82,8 %)
483395–
488079
710712–
715396
2070829–
2075560
481575–
482291
709608–
708892
2077782–
2078498
Yersinia pestis CO92
718
588/718
(81,9 %)
719
594/719
(82,6 %)
718
588/718
(81,9 %)
1104
1820
2222
Расстояние между монофункциональным геном arcA
и треониновым опероном у разных организмов
Yersinia enterocolitica subsp. enterocolitica 8081
Vibrio cholerae
O395
Результаты парного выравнивания
полифункционального гена arcA E.coli К12
substr. MG1655 c геном arcA
близкородственных организмов
Треониновый
оперон
Таблица 2
Организм
Таблица 3
Треониновый
оперон
arcA
Расстояние
thr-arcA, п.о.
687253–
691937
607165–
608448
78805
2070829–
2075560
2995025–
2996248
919465
Кроме этого, в геноме Yersinia enterocolitica subsp.
enterocolitica 8081 найдены полифункциональный и
монофункциональный гены arcA с невысокой степенью
идентичности между ними – 36,8 % (501/1378 п.о.). Два
гена arcA также найдены в геноме Vibrio cholerae O395
(NC_009457).
Из таксономического анализа видно, что полифункциональный локус гена arcA найден только у грамотрицательных бактерий.
Расстояние между полифункциональным локусом
гена arcA и треониновым опероном у близкородственных организмов колеблется в пределах от 1000 до
4500 п.о. (табл. 1).
Расстояние между монофункциональным геном
arcA и треониновым опероном у разных организмов
колеблется в пределах от 80000 до 1000000 п.о.
(табл. 2).
Анализ последовательностей гомологичных arcА
Е.coli К-12 substr. MG1655. В результате парного выравнивания получено, что полифункциональный ген
arcA E.coli К12 substr. MG1655 гомологичен одноименному гену с большей степенью идентичности –
82,8 % у Erwinia carotovora subsp. atroseptica
SCRI1043, с меньшей степенью идентичностью –
81,9 % у Yersinia pseudotuberculosis IP 32953 и не имеет
значащей гомологии c последовательностью B. subtilis
(табл. 3).
Организм
Yersinia enterocolitica
subsp. enterocolitica
8081
Yersinia pseudotuberculosis IP 32953
Длина нуклеотидной
Идентичность,
последовательности,
%
п.о.
560/725
725
(77,2 %)
Поиск аминокислотных последовательностей, гомологичных полифункциональному гену arcA E.coli
К12 substr. MG1655, показал гомологию со значимой
степенью идентичности с белками B.subtilis str. 168 –
SubR (subR) – 57 % (136/236 п.о.), YycF (yycF) и GntZ
(gntZ) – 63 % (86/135 п.о.).
Картирование полифункционального гена arca в
структуре генома B.subtilus 168. К настоящему времени полифункциональный ген в геноме B. subtilus 168 со
свойствами полифункционального гена arcA E. coli
K12 substr. MG1655 не картирован. Можно предположить относительное расположение гена в геноме B.
subtilis168, опираясь на результаты проведенного анализа.
Анализ локализации полифункционального локуса
гена arcA у разных организмов показал его расположение вблизи треонинового оперона, но его значащая
цепь противоположна ему.
Треониновый оперон thrB-thrC-hom у бактерии
B. subtilis 168 расположен в регионе 3311870–3315155
п.о. (thrB, GeneID: 936665; thrC, GeneID: 936660; hom,
GeneID: 936654) и прочитан с комплементарной цепи.
Из этого следует, что полифункциональный ген может
находиться справа от треонинового оперона и прочитан с основной цепи, например, ген yutG, как в случае
локализации полифункционального гена arcA Erwinia
carotovora subsp. atroseptica SCRI1043 (рис. 5).
Локализация генов в геноме B. subtilis 168, полученных в результате анализа гомологичных последовательностей к полифункциональному гену arcA E.coli
K12 substr. MG1655, приведена в табл. 4.
Из трех генов, приведенных в табл. 4, ген subR имеет абсолютную локализацию, которая не отражает его
расположение в геноме B. subtilis 168. Ген gntZ определен на генетической карте B.subtilis 168, функция его
известна – утилизация глюконата, и она не совпадает с
функциями полифункционального гена arcA E.coli K12
substr. MG1655. Ген yycF, также как и ген gntZ, картирован в геноме B. subtilis 168, продукт гена – гипотетический белок, функция которого неизвестна (рис. 6).
327
ISSN 1810-0198. Вестник ТГУ, т.13, вып.5, 2008
Рис. 5. Локализация треонинового оперона B. subtilis 168
Рис. 6. Локализация гена yycF в геноме B. subtilis 168
Таблица 4
Локализация генов в геноме B.subtilis 168
Ген
subR
gntZ
yycF
Уникальный номер
Длина / Регион
п.о.
DQ272494
717
GeneID: 937716
4116104..4117510
GeneID: 937776
4152719–4153426
Функция
регуляторная
и сигнальная
утилизация
глюконата
неизвестна
Продукт гена yycF бактерии B. subtilis 168, имеющий степень идентичности – 63 % (86/135 п.о.) с белком ArcA E.coli K12 substr. MG1655, расположен в регионе 4152719–4153426 п.о. Так как ген yycF бактерии
B. subtilis 168 находится достаточно далеко от треонинового оперона, на расстоянии приблизительно 661452
п.о., то можно предположить, что это монофункциональный ген.
Таким образом, структурной гомологии между последовательностью полифункционального локуса arcA
E.coli и локусом cin B. subtilis, картированным
Р.А. Вафиным в районе Thr− оперона, не найдено.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В работе Р.А. Вафина показано, что наиболее легким способом выделения cin-мутантов B. subtillis является отбор индуцированных нитрозогуанидином мутантов, устойчивых к небольшим концентрациям
стрептомицина с последующим отбором среди них
носителей фенотипов Arg± и Thr− (ауксотрофность по
треонину и слабая потребность в аргинине). Нитрозогуанизин, как известно, действует на вилку репликации, обычно вызывая множественные мутации у близкорасположенных генов. Фены Strr и Arg± относятся к
cin-локусу, оба фена можно трактовать как следствие
изменения метаболизма гуанидина. По всей вероятности, мутантный cin-локус у B. subtillis может проявлять
свойства дезаминазы, разрушая аргинин и, вероятно,
гуанидиновые группировки стрептомицина. Монофунциональный ген arcA у Yersinia enterocolitica, как сказано выше, является геном дезаминазы, скорее всего,
328
возникшем в процессе эволюции из полифункционального гена arcA за счет потери ряда функций и увеличения структурной «специфической» части. Это еще раз
подтверждает функциональное сходство полифункциональных локусов cin и arcA. В то же время структурного сходства между ними не обнаруживается.
Согласно современным взглядам, ген arcA E.coli –
«главный» ген, связанный с дыханием (GeneID:
948874). В то же время, давно известны следующие
факты. У пиррофитовых водорослей обмен соединений
Si связан с процессом дыхания, а мицелий некоторых
грибов интенсивно развивается в Si- содержащей среде
в отсутствии фосфора при обильном доступе кислорода
[7]. У ряда растений Si контролирует внутриклеточное
фосфорилирование [8]. 1-этоксисилатран, донор легкоусвояемого Si, повышает устойчивость животных к
недостатку кислорода [Воронков и др., 1984]. По образному выражению микробиологов, работавших в
1950-е годы с силикатными бактериями, «Si у них заменяет кислород». Скорее всего у большинства организмов метаболизм всех трех элементов – кремния,
фосфора и кислорода – взаимосвязан, например, интенсивное силицирование ферментов, вероятно, усиливает окислительное фосфолирование и повышает энергетический баланс клетки. С этим, видимо, и связаны
фенотипы cin-мутантов бацилл, изученных Р.А. Вафиным, хотя у E.coli такие фенотипы (Si−, Sis) неизвестны
(локус arcA).
Исходя из данных по гомологии полифункционального локуса arcA у представителей семейства Enterobacteriaceae, Vibrionaceae, Bacillaceae данный локус не
является высоконсервативным и быстро изменяется в
процессе дивергенции, в то же время сохраняя свои
функциональные свойства (функциональную гомологию). Аналогичные явления известны и для других
генетических детерминант. Так, точки ori плазмид
pE194 (Emr) и pC194 (Cmr) абсолютно негомологичные, как и последовательности самих плазмид, но конформация точек ori, исходя из их строения, должна
быть сходной. Также некоторые гены разных растений
могут быть взаимозаменяемыми, хотя их структурная
гомология ограничивается лишь последовательностью
гомеобокса. Следует признать, что функциональная
гомология гена или белка далеко не всегда связана с
ISSN 1810-0198. Вестник ТГУ, т.13, вып.5, 2008
гомологией последовательности пар оснований или
аминокислот. Это усложняет задачу генетика и молекулярного биолога, например, при построении эволюционных схем.
ЛИТЕРАТУРА
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Blattner F.R., Plunkett G. III, Bloch C.A., Perna N.T., Burland V.,Riley
M., Collado-Vides J.,Glasner J.D., Rode C.K., Mayhew G.F.,Gregor J.,
Davis N.W., Kirkpatrick H.A., Goeden M.A., Rose D.J.,Mau B. and
Shao Y. The complete genome sequence of Escherichia coli K-12 //
Science. 1997. № 277. Р. 1453–1474.
Kunst F., Ogasawara N., Moszer I., Albertini A.M., Alloni G., Connerton I.F., et al. (134 other authors), and Danchin A. The complete genome sequence of the gram-positive bacterium Bacillus subtilis // Nature. 1997. № 390. Р. 249–256.
Вавилов Н.И. Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости // Избр. труды. М.; Л.: Наука, 1965. Т. 5. С. 179–222.
Bachmann B.J. Linkage map of Escherichia coli K-12, edition 7 //
Microbiol Rev. 1983. Jun. № 47(2). Р. 180–230.
Iuchi S., Lin E.C. arcA (dye), a global regulatory gene in Escherichia
coli mediating repression of enzymes in aerobic pathways // Proc. Natl.
Acad. Sci. USA. 1988. V. 85. P. 1888–1892.
Вафин Р.А. Получение и некоторые характеристики мутаций,
индуцирующих компетентность у бацилл: дис. ... канд. биол. наук.
Казань, 1997.
Воронков М.Г., Кузнецов И.Г. Кремний в живой природе. Новосибирск: Наука, 1984.
Wong You Cheong, Chan P.Y. Incorporation of P32 in phosphate esters
of the sugar-cane plant and effect of Si and Al on the distribution of the
esters // Plant and Soil. 1973. V. 38. P. 113–115.
Frolova L.L., Malkov C.V., Kuzmina A.S. The structural
analysis of genome B. Subtilis 168 basing on homology of a multifunctional gene arcA E.coli K12 substr. MG1655. The article
describes an attempt to define the structural homology between
multifunctional genetic loci with similar phenotypic features in
E.coli and B.subtilis. It is shown that the arcA gene is highpolymorphous and it has a significant degree of homology only at
representatives of close kinds.
Key words: arcA E.coli, genome analysis, B.subtilis.
LITERATURE
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Поступила в редакцию 5 сентября 2008 г.
8.
Blattner F.R., Plunkett G. III, Bloch C.A., Perna N.T., Burland V., Riley
M., Collado-Vides J., Glasner J.D., Rode C.K., Mayhew G.F., Gregor
J., Davis N.W., Kirkpatrick H.A., Goeden M.A., Rose D.J., Mau B. and
Shao Y. The complete genome sequence of Escherichia coli K-12 //
Science. 1997.277. Р. 1453–1474.
Kunst F., Ogasawara N., Moszer I., Albertini A.M., Alloni G., Connerton I.F., et al. (134 other authors), and Danchin A. The complete genome sequence of the gram-positive bacterium Bacillus subtilis // Nature. 1997.390. Р. 249–256.
Vavilov N.I. Law of homologous lines in hereditary variability // Selected Works. M.; L.: Nauka, 1965. Vol. 5. P. 179–222.
Bachmann B.J. Linkage map of Escherichia coli K-12, edition 7 //
Microbiol Rev. 1983. Jun. 47 (2). Р. 180–230.
Iuchi S., Lin E.C. arcA (dye), a global regulatory gene in Escherichia
coli mediating repression of enzymes in aerobic pathways // Proc. Natl.
Acad. Sci. USA. 1988. V. 85. P. 1888–1892.
Vafin R.A. Obtaining and some characteristics of mutations inducing
competence at bacillus: Candidate Dissertation on Biology. Kazan,
1997.
Voronkov M.G., Kuznetsov I.G. Silicon in wildlife. Novosibirsk: Nauka,
1984.
Wong You Cheong, Chan P.Y. Incorporation of P32 in phosphate esters
of the sugar-cane plant and effect of Si and Al on the distribution of the
esters // Plant and Soil. 1973. V. 38. P. 113–115.
329
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
3
Размер файла
181 Кб
Теги
анализа, геном, substr, arca, subtilis, k12, гена, основы, coli, cтруктурный, 168, гомологии, полифункциональные, 8333
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа