birmaga.ru
добавить свой файл

  1 2 3

Построение филогенетического дерева для белков ТrpB
Присутствие в некоторых геномах двух генов для бета-субъединицы триптофан синтазы (ТrpB) наводит на мысль о дупликации данного гена в ходе эволюции. Оба гена trpB (trpB1 и trpB2) есть только в некоторых из изучаемых геномах: M. thermautotrophicus, P. abyssi, P. furiosus, M. mazei, M. barkeri, M. burtonii, A. fulgidus. В остальных случаях встречается только один из генов trpB. С целью прояснить филогенетические соотношения между ферментами ТrpB, найденными в каждом из геномов, было построено филогенетическое дерево для всех найденных белков ТrpB (Рис. 10). На дереве отчетливо можно выделить две группы ферментов, соответствующих TrpB1 и TrpB2. Как становится понятным из анализа дерева, дупликация скорее всего произошла еще до расхождения исследуемых организмов по группам, и является, таким образом, достаточно древней. В дальнейшем, по всей видимости, в ходе эволюции различных групп происходила утрата одного из trpB генов. Кроме того, нами была показана ошибка в аннотации генома P. abyssi. Ген, проаннотированный у P. abyssi как trpB2, на самом деле относится к группе trpB1.

Бактериальные гомологи были найдены только для TrpB2 (см. Рис. 10). Таким образом, TrpB1 представляет собой белок, характерный для архей, тогда как скорее всего появился в результате горизонтального переноса от бактерий. Следовательно, TrpB1 и TrpB2 являются ксенологами (Koonin et al., 2001).


Поиск регуляторных сигналов в группе, соответствующей роду Pyrococcus, и группе, отвечающей родам Ferroplasma и Thermoplasma

Поиск регуляторных сигналов у рода Pyrococcus

Используя имеющуюся у нас матрицу, не удалось обнаружить потенциальных сайтов перед генами синтеза триптофана в геномах P. abyssi и P. furiosus. Поэтому для поиска сайтов нами был применен метод генетического футпринтинга. В основе этого метода лежит поиск консервативных последовательностей перед ортологичными генами из родственных геномов с помощью выравнивания. (Florea et al., 2003; McCue et al., 2001)



Рис. 10. Филогенетическое дерево белков ТrpB. Обозначения: Археи: PAB - Pyrococcus abyssi, PF - Pyrococcus furiosus, MA - Methanosarcina acetivorans, MM - Methanosarcina mazei, MBA - Methanosarcina barkeri, MCB - Methanococcoides burtonii, AF - Archaeoglobus fulgidus, Hsp - Halobacterium salinum NRC-1, FAC - Ferroplasma acidarmanus, TA - Thermoplasma acidophilum, TV - Thermoplasma volcanium, MTH - Methanobacter thermoautotrophicus. Бактерии: THM - Thermotoga maritima, CLA - Clostridium acetobutylicum, AQ - Aquifex aeolicus, CV - Caulobacter vibrioides.

Парное выравнивание регуляторных областей перед оперонами, содержащими только гены синтеза триптофана, у P. abyssi и P. furiosus показало, что эти регуляторные области не имеют ярко выраженных консервативных участков, поэтому явным образом не удается выделить регуляторные сайты.

Поиск регуляторного сигнала по консенсусу, известному для аналогичного сигнала перед генами M. thermoautotrophicus, не дал никаких результатов. В большинстве случаев в регуляторных областях удавалось найти лишь один короткий палиндром длины 6, вероятность встретить который случайно очень велика, поэтому нельзя предполагать, что это искомый регуляторный сигнал.

Так как белки-регуляторы ортологичны, разумно предположить, что структура сигнала в геномах представителей рода Pyrococcus будет частично сохранена. Можно предположить, что в данном случае сохранится общий план строения сигналов, но возможны некоторые изменения в консенсусе палиндромных сайтов; также возможно и изменение расстояния между палиндромными боксами. При помощи программы SignalX был осуществлен поиск коротких палиндромов в регуляторных областях. Были найдены только единичные палиндромы с низким весом. Таким образом, у архебактерий рода Pyrococcus либо сильно изменилась структура регуляторного сайта, либо регуляция синтеза триптофана имеет совершенно другой механизм.

Поиск регуляторных сигналов в группе, отвечающей родам Ferroplasma и Thermoplasma.

Поиск в данном случае осуществлялся такими же методами, как и для рода Pyrococcus.

Поиск сигналов вместе у родов Ferroplasma и Thermoplasma не дал результатов, так как, видимо, представители этих родов все-таки достаточно далеко разошлись в ходе эволюции.

При поиске внутри рода Thermoplasma, также не удалось выявить консервативный регуляторный сигнал. Выравнивание регуляторных областей не дало никакого результата, так как регуляторные области оказались малоконсервативны.

Поскольку все белки-регуляторы являются ортологами, мы предположили, что структура сигнала должна сохраняться в ходе эволюции. Поэтому был предпринят поиск повторов, состоящих из палиндромных боксов. Такой поиск был осуществлен с помощью программы SignalX. Однако, обнаруживать устойчивый сигнал не удалось.

Подобная ситуация могла быть вызвана различными причинами. Во-первых, в результате расхождения белков-регуляторов в процессе эволюции могла измениться сама структура сайта. Во-вторых, не исключено, что могла измениться функция белка-регулятора, и регуляция синтеза триптофана в данной группе архей осуществляется иным образом.



Выводы


  1. Исследована регуляция синтеза триптофана методами сравнительной геномики. Обнаружены новые потенциальные регуляторные сайты у архей M. burtonii, M. acetivorans и M. mazei.

  2. В ряде исследуемых геномов были обнаружены неортологичные замены для генов trpF и trpA.

  3. Было показано, что появление дополнительного гена trpB в ряде геномов архей произошло не за счет дупликации данного гена, а за счет горизонтального переноса из бактерий.
  4. Для археи A. fulgidus были показаны доменные перестройки в белках, задействованных в синтезе триптофана.



Список литературы
Миронов А.А., Винокурова Н.П., Гельфанд М.С. (2000) Програмное обеспечение анализа бактериальных геномов. Молекулярная биология, 34, 253-262
Altschul S.F., Madden T.L., Schaffer A.A., Zhang J., Zhang Z., Miller W., Lipman D.J. (1997) Gapped BLAST and PSI-BLAST: a new generation of protein database search programs. Nucleic Acids Research, Vol. 25, No.17, 3389-3402
Bell S.D. and Jackson S.P. (1998) Transcription in Archaea. In “Mechanisms of transcription”, Cold Spring Harbor Laboratory Press.
Cohen G.N., Barbe V., Flament D., Galperin M.L., Heilig R., Lecompte O., Poch O., Prieur D., Querellou J., Ripp R., Thierry J.C., Van der Oost J., Weissenbach J., Zivanovic Y., and Forerre P. (2003) An integrated analysis of the genome of the hyperthermophilic archaeon Pyrococcus abyssi. Mol Microbiol. 47 (6), 1495-1512.

Crooks G.E., Hon G., Chandonia J.-M., and Brenner S.E. (2004) WebLogo: A Seguence Logo Generator. Cold Spring Harbor Laboratory Press.


Daniels C.J., Mao J.-I., Rice P., Noelling J., Reeve J.N. (1997) Complete genome sequence of Methanobacterium thermoautotrophicum deltaH: functional analysis and comparative genomics. J. Bacteriol. 179,7135-7155.
Daugherty M, Vonstein V, Overbeek R, Osterman A. (2001) Archaeal shikimate kinase, a new member of the GHMP-kinase family. J Bacteriol. 183(1), 292-300.

Deppenmeier U., Johann A., Hartsch T., Merkl R., Schmitz R.A., Martinez-Arias R., Henne A., Wiezer A., Baumer S., Jacobi C., Bruggemann H., Lienard T., Christmann A., Bomeke M., Steckel S., Bhattacharyya A., Lykidis A., Overbeek R., Klenk H.P., Gunsalus R.P., Fritz H.J. and Gottschalk G. (2002) The genome of
Methanosarcina mazei: evidence for lateral gene transfer between Bacteria and Archaea. J. Mol. Microbiol. Biotechnol. 4 (4), 453-461.

Dodd I.B., Egan J. B. (1990) Improved detection of helix-turn-helix DNA-binding motifs in protein seguences. Nucleic Acids Research, Vol. 18, No. 17, 5019-5026
Galagan J.E., Nusbaum С., Roy A., Endrizzi M.G., Macdonald P., FitzHugh W., Calvo S., Engels R., Smirnov S., Atnoor D., Brown A., Alien N., Naylor J., Stange-Thomann N., DeAreHuno K., Johnson R., Linton L., McEwan P., McKernan K., Talamas J., Tirrell A., Ye W., Zimmer A., Barber R.D., Cann L, Graham D.E., Grahame D.A., Guss A.M., Hedderich R., Ingram-Smith C., Kuettner H.C., Krzycki J.A., Leigh J.A., Li W., Liu J., Mukhopadhyay В., Reeve J.N., Smith K., Springer T.A., Umayam L.A., White O., White R.H., Conway dc Macario E., Ferry J.G., Jarrell K.F., Jing H., Macario A.J., Paulsen I., Pritchett M., Sowers K.R., Swanson R.V., Zinder S.H., Lander E., Metcalf W.W., and Birren B. (2002) The genome of
M. acetivorans reveals extensive metabolic and physiological diversity. Genome Res. 12 (4), 532-542.
Gelfand M.S., Koonin E.V., Mironov A.A. (2000) Prediction of transcription regulatory sites in Archaea by a comparative genomic approach. Nucleic Acids Research, 28, 695-705.
Florea L., McClelland М., Riemer С., Schwartz S. and Miller W. (2003) EnteriX 2003: visualization tools for genome alignments of Enterobacteriaceae. Nucleic Acids Research, 31, 13, 3527–3532
Kawarabayasi Y., Sawada M., Horikawa H., Haikawa Y., Hino Y., Yamamoto S., Sekine M., Baba S., Kosugi H., Hosoyama A., Nagai Y., Sakai M., Ogura K., Otsuka R., Nakazawa H., Takamiya M., Ohfuku Y., Funahashi Т., Tanaka Т., Kudoh Y., Yamazaki J., Kushida N., Oguchi A., Aoki K., and Kikuchi H. (1998) Complete sequence and gene organization of the genome of a hyper-thermophilic archaebacterium, Pyrococcus horikoshii OT3. DNA Res. 5 (2), 55-76.

Kawashima Т., Amano N., Koike H., Makino S., Higuchi S., Kawashima-Ohya Y., Watanabe K., Yamazaki M., Kanehori K., Kawamoto Т., Nunoshiba Т., Yamamoto Y., Aramaki H., Makino K., and Suzuki M. (2000) Archaeal adaptation to higher temperatures revealed by genomic sequence of Thermoplasma volcanium. Proc Natl Acad Sci USA. 97 (26), 14257-14262.

Klenk H.P, Clayton R.A., Tomb J.F., White O., Nelson K.E., Ketchum K.A., Dodson R.J., Gwinn M., Hickey E.K., Peterson J.D., Richardson D.L., Kerlavage A.R., Graham D.E., Kyrpides N.C., Fleischmann R.D., Quackenbush J., Lee N.H., Sutton G.G., Gill S., Kirkness K.F., Dougherty B.A., McKenney K., Adams M.D., Loftus В., and Venter J.C. (1997) The complete genome sequence of the hyperthermophilic, sulphate-reducing archaeon Archaeoglobus fulgidus. Nature. 390 (6658), 364-370.
Koonin E.V., Makarova K.S., Aravind L. (2001) Horizontal gene transfer in prokaryotes: quantification and classification. Annu Rev Microbiol. 55,709-42.
Maeder D.L., Weiss R.B., Dunn D.M., Cherry J.L., Gonzalez J.M., DiRuggiero J., and Robb F.T. (1999) Divergence of the hyperthermophilic archaea Pyrococcus furiosus and P. horikoshii inferred from complete genomic sequences. Genetics. 152 (4), 1299-1305.
McCue L.A., Thompson W., Carmack C.S., Ryan M.P., Liu J.U., Derbyshire V. and Laurence C.E. (2001) Phylogenetic footprinting of transcription factor binding sites in proteobacterial genomes. Nucleic Acids Research, 29, 3, 774-782.
Natori Y., Kano Y. and Imamoto F. (1990) Nucleotide sequences and genomic constitution of five tryptophan genes of Lactobacillus casei. J Biochem (Tokyo). 107 (2), 248-255.

Ng W.V., Kennedy S.P., Mahairas G.G., Berquist В., Pan M., Shukla H.D., Lasky S.R., Baliga M.S., Thorsson V., Sbrogna J., Swartzell S., Weir D., Hall J., Dahl T.A., Welti R., Goo Y.A., Leithauser В., Keller K., Cruz R., Danson M., Hough D.W., Maddocks D.G., Jablonski P.E., Krebs M.P., Angevine C.M., Dale H., Isenbarger T.A., Peck R.F., Pohlschroder M., Spudich J.L., Jung K.W., Alam M., Freitas Т., Hou S., Daniels C.J., Dennis P.P., Omer A.D., Ebhardt H., Lowe T.M., Liang P., Riley M., Hood L., and DasSarma S. (2000) Genome sequence of Halobacterium species NRC-1. Proc Natl AcadSci USA. 97 (12176-12181)

Panina E.M., Vitreschak A.G., Mironov A.A., and Gelfand M.S. (2001) Regulation of Aromatic Amino Acid Byosynthesis in Gamma-Proteobacteria.J.Mol. Microbiol. Biotechnol,3(4), 529-543.
Panina E.M., Vitreschak A.G., Mironov A.A., and Gelfand M.S. (2003) Regulation of biosynthesis and transport of aromatic amino acids in low-GC Gram-positive bacteria FEMS Microbiology Letters, 222, 211-220
Ruepp A., Graml W., Santos-Martinez M.L., Koretke K.K., Volker C., Mewes H.W., Frishman D., Stocker S., Lupas A.N., and Baumeister W. (2000) The genome sequence of the thermoacidophilic scavenger Thermoplasma acidophilum. Nature. 407 (6803), 508 513
Smith D.R., Doucette-Stamm L.A., Deloughery C., Lee H.-M., Dubois J., Aldredge T., Bashirzadeh R., Blakely D., Cook R., Gilbert K., Harrison D., Hoang L., Keagle P., Lumm W., Pothier B., Qiu D., Spadafora R., Vicare R., Wang Y., Wierzbowski J., Gibson R., Jiwani N., Caruso A., Bush D., Safer H., Patwell D., Prabhakar S., McDougall S., Shimer G., Goyal A., Pietrovski S., Church G.M.,
Thomson J.D., Gibson T.J., Plewniak F., Jeanmouglin F., Higgins D. G. (1997) The Clustal_X windows interface: flexible strategies for multiple sequence alignment aided by quality analysis tools. Nucleic Acids Research, Vol. 25, No. 24, 4876-4882.
Wolfe R.S. (2002) The Archaea: A Personal Overview of the Formative Years. In “The Prokariotes. An Evolving Electronic Resource for the Microbiological Community” (http://141.150.157.117:8080/prokPUB)
Xie G., Keyhani N.O., Bonner C.A., and Jensen R.A. (2003) Ancient origin of trypthophan operon and the dynamics of evolutionary change. Microbiology and Molecular Biology Reviews, 303-342



<< предыдущая страница