Транскрипционная регуляция биосинтеза пролина у протеобактерий

Дополнительные материалы к статье: К.В. Лопатовская, К.Ю. Горбунов, Л.Ю. Русин, А.В. Селиверстов, В.А. Любецкий. Эволюция транскрипционной регуляции синтеза пролина у гамма-протеобактерий. Вестник Московского университета. Серия 16. Биология, 2010, том 65, № 4, стр. 92–94. Перевод: K.V. Lopatovskaya, K.Yu. Gorbunov, L.Yu. Rusin, A.V. Seliverstov, V.A. Lyubetsky. The evolution of proline synthesis transcriptional regulation in gammaproteobacteria. Moscow University Biological Sciences Bulletin, 2010, Vol. 65, No. 4, P. 211–212. DOI:  10.3103/S0096392510040255

Аннотация

У бактерий биосинтез пролина из глутаминовой кислоты идёт при последовательном участии трёх ферментов: γ-глутамилкиназы, γ-глутамил-фосфатредуктазы и 1-пирролин-5-карбоксилатредуктазы. Согласно данным [2] у Pseudomonas aeruginosa PAO1 уровень синтеза первых двух ферментов зависит от концентрации пролина, но синтез третьего фермента от неё не зависит. Гены proA и proB кодируют первые два из этих ферментов. У протеобактерий гены proA и proB обычно образуют оперон. У Pseudomonas гены proA и proB расположены на хромосоме далеко друг от друга и транскрибируются в противоположных направлениях.

Нами была изучена белок-ДНКовая регуляция. Был проведён массовый поиск сайтов связывания с ДНК некоторого регуляторного белка перед указанными генами синтеза пролина. Нами найден консервативный мотив перед генами proA и proB синтеза пролина у большинства видов γ-протеобактерий (родов Pseudomonas, Marinobacter, Shewanella) и у некоторых других видов. С помощью нашей программы Protfile проведено сравнение филогенетического профиля некоторого регуляторного белка с профилями всех бактериальных белков. Отсюда предположено, что соответствующим транскрипционным фактором является белок из семейства TetR, ортологичный белку NP_249058 из Pseudomonas aeruginosa PAO1. Построено дерево видов, которые имеют найденную нами регуляцию генов pro. На основе оригинального подхода построены три вложения в дерево видов: дерева самих генов pro, дерева доменов транскрипционных факторов, дерева сайтов связывания этих факторов, а также получен сценарий совместной эволюции генов, факторов регуляции и сайтов связывания.

Дополнительные материалы

• 💾Protfile. Алгоритм и программа поиска транскрипционного фактора (белка) по мотиву сайтов связывания этого фактора.
• Таблица 1. Белки с наибольшими значениями близости их филогенетического профиля к профилю найденных сайтов.
• Рисунок 1. Дерево видов S, для которых нами предсказана белок-ДНКовая регуляция генов pro. Рёбра («тру́бы») дерева обозначаются номером конца ребра, дальнего от корня; на рисунках 3–5 вложений этот номер располагается над трубой или левее трубы. После названий видов запись +proA–proB означает наличие этой регуляции только у гена proA, который транскрибируется отдельно от гена proB, обозначение +proBA означает наличие регуляции перед опероном proBA, а обозначение –proBA означает отсутствие регуляции перед опероном proBA.
• Рисунок 2. Множественное выравнивание участков γ-протеобактерий: a) перед геном proA гамма-глютамил фосфат редуктазы, b) перед опероном proBA, ген proB кодирует гамма-глютамил киназу. Сайты выделены жёлтым цветом, (−10)-боксы выделены серым цветом. Полужирным выделен сайт вместе с выравниваемым его слабо консервативного 3'-конца на смысловой цепи.
• Рисунок 3. Частотный профиль найденного нами регуляторного мотива из 8 н перед генами pro и слабо консервативный 3'-конец длины 8 н.
• Таблица 2. Все виды, имеющие белки, высоко гомологичные белку NP_249058, некоторые из них являются потенциальными факторами белок-ДНКовой регуляции. Характеристики гомолога и соответствующего сайта связывания: (1) Expect value для ближайшего гомолога белка NP_249058.1 из семейства TetR; (2) Качество сайта: расстояние между консенсусом и найденным сайтом перед указанными видом и геном; (3) Количество найденных сайтов перед указанными видом и геном; обозначение «–» указывает, что сайт перед генами pro не найден.
• Рисунок 4. Вложение дерева G генов pro в дерево видов S, показанное на рис. 1. Рёбра («тру́бы») дерева S показаны цветом. Дупликации обозначены буквой d, потери — крестиками, переносы — стрелками.
• Рисунок 5. Вложение дерева F доменов транскрипционных факторов в дерево видов S. Ребра («тру́бы») дерева S показаны цветом. Дупликации обозначены буквой d, потери — крестиками, переносы — стрелками.
• Рисунок 6. Вложение дерева R сайтов связывания факторов в дерево видов S. Рёбра («тру́бы») дерева S показаны цветом. Дупликации обозначены буквой d, потери — крестиками, переносы — стрелками, а возникновения — чёрными кружочками.

Литература

1. R.V. Krishna, P. Beilstein, T. Leisinger. Biosynthesis of proline in Pseudomonas aeruginosa. Partial purification and characterization of γ-glutamyl kinase // Biochem. J. 1979. Vol. 181. P. 215-222.
2. R.V. Krishna, P. Beilstein, T. Leisinger. Biosynthesis of proline in Pseudomonas aeruginosa. Properties of gamma-glutamyl phosphate reductase and 1-pyrroline-5-carboxylate reductase // Biochem. J. 1979. Vol. 181. P. 223-230.
3. А.В. Селиверстов, В.А. Любецкий. Регуляция биосинтеза пролина у протеобактерий // Молекулярная биология. 2007. Том 41 (3). С. 572-574.
4. Официальный сайт Proline: http://lab6.iitp.ru/ru/proline/
5. Л.А. Леонтьев, В.А. Любецкий. Алгоритм определения белка, согласованного с заданным филогенетическим профилем // Информационные процессы (www.jip.ru). 2006. Том 6 (1). С. 24-32.
6. Официальный сайт WebLogo: http://weblogo.berkeley.edu/logo.cgi 30.03.2010.
7. C. Kisker, W. Hinrichs, K. Tovar, W. Hillen, W. Saenger. The complex formed between Tet repressor and tetracycline-Mg2+ reveals mechanism of antibiotic resistance // Journal of Molecular Biology. 1995. Vol. 247 (2). P. 260-280.
8. К.Ю. Горбунов, В.А. Любецкий. Реконструкция эволюции генов вдоль дерева видов // Молекулярная биология. 2009. Том 43 (5). С. 946-958.