Лаборатория математических методов и моделей в биоинформатике
Института проблем передачи информации им. А.А. Харкевича
Российской академии наук

Эволюция NtcA- и NtcB-регулонов у цианобактерий и хлоропластов Rhodophyta

Дополнительные материалы к статье «Регулоны NtcA и NtcB у цианобактерий и хлоропластов Rhodophyta» (Лопатовская К.В., Селиверстов А.В., Любецкий В.А.)

• Рисунок 1. Частотные распределения нуклеотидов сайтов связывания фактора NtcA у цианобактерий по генам для пяти порядков и пяти родов с наибольшим количеством представителей.
• Рисунок 2а. Частотное распределение нуклеотидов сайтов связывания фактора NtcA у цианобактерий. Распределение построено по всем предсказанным нами регуляторным сайтам. Подчеркнуты наиболее консервативные позиции, вошедшие в предложенный нами консенсус.
• Рисунок 2b. Частотное распределение нуклеотидов сайтов связывания фактора NtcB у цианобактерий. Распределение построено по всем предсказанным нами регуляторным сайтам. Подчеркнуты наиболее консервативные позиции, вошедшие в предложенный нами консенсус.
• Рисунок 3. Выравнивание потенциальных промоторов и сайтов связывания фактора NtcA перед генами у цианобактерий. Полужирным отмечены (–10)-боксы промотора, темно-зеленым – альтернативные (–10)-боксы, желтым – консервативные участки (сайты) с консенсусом GTA-8N-TAC, которые предположительно служат сайтами связывания активатора или репрессора (указано в заголовке); зеленым – замены в сайтах, красным – позиции старта транскрипции. Подчеркнуты максимально продолженные комплементарные участки связывания фактора. NtcA относится к семейству CAP (catabolite activator protein). Указаны ген с его характеристиками, порядок и вид цианобактерии. Рассмотрены пять порядков: Nostocales, Oscillatoriales, Prochlorales, Chroococcales, Gloeobacterales (содержит только Gloeobacteria) и неклассифицированный порядок цианобактерий, который содержит род Acaryochloris. Потенциально активируемые и репрессируемые гены разделены. Запись типа Cyanothece sp. ATCC 51142_i обозначает i-ый ортолог штамма Cyanothece sp. ATCC 51142. Знак «-"-» разделяет несколько сайтов в лидерной области одного вида/штамма. Вид Anabaena sp. PCC 7120 переименован в Nostoc sp. PCC 7120. Вид Anabaena azollae переименован в Nostoc azollae. Запись locus_tag служит идентификатором гена в геноме бактерий. Число в конце строки обозначает ее характеристику (качество) – близость в специальной метрике сайта длиной 20 п.н. к группе слов, которые служат образцами для поиска.
• Рисунок 4. Выравнивание потенциальных промоторов и сайтов связывания фактора NtcB перед генами у цианобактерий. Желтым отмечены консервативные участки с консенсусом TGCA-5N-TGCA, зеленым – замены в сайтах. Подчеркнуты максимально продолженные комплементарные участки связывания фактора. Знак «-"-» разделяет несколько сайтов в лидерной области одного вида/штамма.
• Рисунок 5. Дерево NtcA-фактора у цианобактерий. Цветами выделены таксономические порядки. Видно, что близость фактора хорошо согласована с близостью видов.
• Рисунок 6. Потенциальные промоторы перед геном rps20. Полужирным выделены (–35) и (–10)-боксы промотора и 5'-расширение (–10)-бокса. Цветом выделены консервативные участки, которые предположительно служат сайтами связывания репрессора Ycf28. Числа в последнем столбце указывают расстояния до инициирующего кодона. У белка Ycf28 имеется домен PF00325 только в пластомах Rhodophyta, которые показаны в 2-4 строках.
• Таблица 1. Потенциальная регуляция с участием фактора NtcA у цианобактерий. Обозначения: «+» – сайт связывания фактора найден непосредственно перед геном, «-» – отсутствует ген, «ns» – не найден сайт или бокс промотора (возможно, ген включен в оперон или не регулируется), «*» – сайт найден и содержит замены по сравнению с консенсусом GTA-8N-TAC. NtcA-активируемые гены: glnA, glnB, glnN, nirA, icd, amt1/B, narB, narK, ntcA, ntcB, nrtA, psaI, petF/fdx, apcF, som, urtA, cynA, speB, mutS, rnc, hupS; NtcA-репрессируемые гены: gifA, gifB.
• Таблица 2. Потенциальная регуляция с участием фактора NtcB у цианобактерий. Обозначения: «+» – сайт связывания фактора найден непосредственно перед геном, «-» – отсутствует ген, «ns» – не найден сайт или бокс промотора (возможно, ген включен в оперон или не регулируется), «*» – сайт содержит замены по сравнению с консенсусом GTA-8N-TAC. NtcB-регулируемые гены: nirA, nrtA.
• Таблица 3. Связь между присутствием регуляции и наличием гена. По столбцам: (1) ген имеется практически у всех видов, а регуляция присутствует только у части видов, (2) ген имеется у многих видов, а регуляция отсутствует у всех видов, имеющих ген, (3) у всех видов при наличии гена он находится под регуляцией.
• Таблица 4. Домены PF00325, характеризующие белковое семейство Сrp, вблизи С-концов белков Ycf28 из хлоропластов Rhodophyta. По строкам: после консенсуса, характеризующего семейство Сrp, приводятся имена всех видов Rhodophyta с секвенированными хлоропластами. Показаны парные выравнивания каждого из найденных доменов с консенсусом таких доменов у всех белков из семейства Сrp (по базе Pfam). Числа указывают координаты начала и конца каждого домена относительно N-конца белка. Значение Е указывает качество (E-value) парного выравнивания; участок с Е-значением большим 1 не приведен.

Литература

1. Alfonso M., Perewoska I., Kirilovsky D. 2001. Redox control of ntcА gene expression in Synechocystis sp. PCC 6803. Nitrogen availability and electron transport regulate the levels of the NtcA protein. Plant Physiol. 125, 969-981.
2. Frias J.E., Flores E., Herrero A. 2000. Activation of the Anabaena nir operon promoter requires both NtcA (CAP family) and NtcB (LysR family) transcription factors. Mol. Microbiol. 38(3), 613-625.
3. Muro-Pastor M.I., Florencio F.J. 2003. Regulation of ammonium assimilation in cyanobacteria. Plant Physiol. Biochem. 41, 595-603.
4. Bird C., Wyman M. 2003. Nitrate/nitrite assimilation system of the marine picoplanktonic cyanobacterium Synechococcus sp. strain WH 8103: effect of nitrogen source and availability on gene expression. Appl. Env. Microbiol. 69(12), 7009-7018.
5. Aldehni M.F., Forchhammer K. 2006. Analysis of a non-canonical NtcA-dependent promoter in Synechococcus elongatus and its regulation by NtcA and PII. Arch. Microbiol. 184, 378-386.
6. Garcia-Dominguez M., Reyes J.C., Florencio F.J. 2000. NtcA represses transcription of gifA and gifB, genes that encode inhibitors of glutamine synthetase type I from Synechocystis sp. PCC 6803. Mol. Microbiol. 35(5), 1192-1201.
7. Maeda S.-I., Kawaguchi Y., Ohe T.-A., Omata T. 1998. cis-Acting sequences required for NtcB-dependent, nitrite-responsive positive regulation of the nitrate assimilation operon in the cyanobacterium Synechococcus sp. strain PCC 7942. J. Bacteriol. 180(16), 4080-4088.
8. Su Z., Olman V., Mao F., Xu Y. 2005. Comparative genomics analysis of NtcA regulons in cyanobacteria: regulation of nitrogen assimilation and its coupling to photosynthesis. Nucl. Acids Res. 33(16), 5156-5171.
9. Forchhammer K. 2008. PII signal transducers: novel functional and structural insights. Trends Microbiol. 16(2), 65–72.
10. Thompson J.D., Gibson T.J., Plewniak F., Jeanmougin F., Higgins D.G. 1997. The CLUSTAL_X windows interface: Flexible strategies for multiple sequence alignment aided by quality analysis tools. Nucleic Acids Res. 25, 4876-4882.
11. Интернет-сайт http://lab6.iitp.ru/en/twobox/
12. Интернет-сайт http://lab6.iitp.ru/en/treeal/
13. Lyubetsky V.A., Rubanov L.I., Seliverstov A.V. 2010. Lack of conservation of bacterial type promoters in plastids of Streptophyta. Biology Direct. 5(34), 1-32.
14. Kumar S., Dudley J., Nei M., Tamura K. 2008. MEGA: A biologist-centric software for evolutionary analysis of DNA and protein sequences. Briefings in Bioinformatics. 9, 299-306.
15. Crooks G.E., Hon G., Chandonia J.M, Brenner S.E. 2004. WebLogo: A sequence logo generator. Genome Research. 14, 1188-1190.
16. Lyubetsky V.A., Zvekov O.A., Rubanov L.I., Seliverstov A.V. Modeling RNA-polymerase competition: the effect of σ-subunit knockout and temperature on gene transcription level. Biology Direct – in press.