Эволюция транскрипционной регуляции синтеза пролина у гамма-протеобактерий Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

УДК 575.852

ЭВОЛЮЦИЯ ТРАНСКРИПЦИОННОЙ РЕГУЛЯЦИИ СИНТЕЗА ПРОЛИНА У ГАММА-ПРОТЕОБАКТЕРИЙ

К.В. Лопатовская, К.Ю. Горбунов, Л.Ю. Русин, А.В. Селиверстов, В.А. Любецкий

(Институт проблем передачи информации имени А.А. Харкевича УРАН; лаборатория математических методов и моделей в биоинформатике; e-mail: kristina@iitp.ru)

Найден консервативный мотив перед генами proA и proB у многих у-протеобактерий, наиболее широко представленный у Pseudomonas, Marinobacter и Shewanella. Перед многими генами имеются пары сайтов кооперативного связывания белка обычно из 8 п.н. На основе разработанного алгоритма предположено, что соответствующим транскрипционным фактором является белок из семейства TetR, ортологичный белку NP_249058 из P. aeruginosa PAO1. Построено дерево видов, имеющих найденную нами регуляцию генов pro и три вложения в него: дерева самих генов pro, дерева доменов транскрипционных факторов и дерева сайтов связывания этих факторов. Выведен сценарий совместной эволюции взаимодействующих элементов: генов, белковых факторов регуляции и сайтов связывания.

Ключевые слова: синтез пролина, белковое семейство TetR, регуляция транскрипции, у-протеобактерии, эволюция, горизонтальный перенос генов.

У Pseudomonas aeruginosa экспериментально была показана зависимость транскрипции гена proA синтеза пролина от его концентрации [1, 2]. Гены proA и proB кодируют два фермента (у-глутамилкиназу и у-глутамилфосфатредуктазу). Предварительный анализ небольшого числа геномов у небольшого числа представителей родов Pseudomonas и Shewanella позволил выявить потенциальный консервативный мотив перед этими генами [3]. Нами проведен поиск такого мотива перед генами proA и proB у всех протеобактерий.

Методы и данные

Данные взяты из базы GenBank (www.ncbi.nlm. nih.gov). Для поиска фактора связывания, соответствующего найденному мотиву, использована разработанная авторами программа, которая основана на сравнении филогенетического профиля сайтов с филогенетическими профилями всех бактериальных белков [4, 5]. В кратком изложении программа состоит в следующем. Для такого сравнения профиль мотива и профиль каждого белка представляются в виде векторов. Филогенетический профиль мотива в i-й позиции содержит +1, если соответствующий сайт присутствует в i-м геноме; или —1, если регуляторный сайт отсутствует в i-м геноме. Вместо такой дискретной характеристики присутствия сайта в i-й позиции можно указывать в ней качество соответствующего сайта. Профиль произвольного белка в i-й позиции содержит сумму характеристик сходства соответствующих аминокислот (по матрице BLOSUM62) в выравнивании этого

белка с его ближайшим гомологом из i-го генома. Характеристика cos близости векторов вычисляется как косинус угла между этими векторами. Качество сайта длины 8 п.н. вычислялось как расстояние между консенсусом мотива и сайтом. Для этого консенсус и сайт отождествлялись с векторами в 32-мерном пространстве и затем определялось расстояние между векторами как сумма модулей разностей координат. Вектор, соответствующий консенсусу, состоит последовательно из 4 частот встречаемости нуклеотидов в каждой из восьми позиций сайта. Вектор, соответствующий сайту, определяется аналогично: значения частот равны одной единице и трем нулям.

Результаты

Найден консервативный мотив перед генами proA и proB у многих у-протеобактерий, наиболее широко мотив представлен у родов Pseudomonas, Marinobacter и Shewanella. (Иллюстративный материал данной работы, занимающий большой объем, представлен на сайте Proline лаборатории математических методов и моделей в биоинформатике Института проблем передачи информации имени А.А. Харкевича УРАН [4].) На рис. 1 [4] показано дерево видов, у которых предсказано белок-ДНК взаимодействие, обеспечивающее регуляцию. Гены pro обычно образуют оперон proBA, но у Pseudomonas они транскрибируются независимо, нами не найден убедительный случай регуляции транскрипции гена proB, не входящего в состав такого оперона. Соответствующее множественное выравнивание приведено на рис. 2 [4]. Консервативные сайты связы-

вания белка с ДНК имеют длину 8 п.н. и обычно повторяются дважды на расстояним от 10 до 16 п.н. К 3'-концу консервативного сайта на смысловой цепи примыкает слабо консервативный участок, одинаковый по длине у всех изученных видов (рис. 3 [4]). На основе разработанного нами метода предположено, что соответствующим транскрипционным фактором является белок из семейства TetR, орто-логичный белку NP_249058 из P. aeruginosa PAO1 (см. табл. 2 [4]). Этот белок на N-конце содержит гипотетический ДНК-связывающий домен, характерный для семейства TetR (Pfam номер PF00440, для участка от 11-й до 57-й аминокислоты с уровнем expect value отличия от консенсуса 1,5 • 10-13) [6]. Ортологи этого белка с достаточно высоким значением expect value присутствуют у всех видов, в которых предсказана регуляция; небольшое число исключений относится к низко консервативным сайтам. Однако найденный белок имеет паралог NP_253746 в том же виде P. aeruginosa; близкие гомологи этих белка и паралога обнаружены у Vibrio и у других родов; в том числе у видов, не содержащих предсказанного нами мотива, табл. 2 [4]. Можно думать, что в последнем случае эти гомологи имеют другую специфичность. Алгоритмом, описанным в работе [7], построены три вложения в дерево S видов: дерева G самих генов pro (рис. 4 [4]); дерева F доменов транскрипционных факторов,

рис. 5 [4]; дерева R сайтов связывания этих факторов, на рис. 6 [4] показан соответствующий лес [7]. Сайты вместе с областью промотора имеют небольшую длину (около 52 п.н.), поэтому их потери и возникновения могут происходить значительно чаще, чем соответствующих факторов и регулируемых генов. В нашей модели возникновение рассматривалось как перенос из внешнй группы. Полученный сценарий совместной эволюции генов, факторов регуляции и сайтов связывания описан ниже и показан на рис. 1, 4—6 [4]. В этом сценарии наиболее важными являются события горизонтального переноса и связанные с ними. Понятие "труба" введено в [8] как ребро дерева видов вместе с эволюционными событиями, происшедшими на нем. Имеются пять событий переноса генов, шесть событий переноса факторов и два переноса сайтов с сохранением или возникновения сайтов вместе с их окрестностью (из-за короткой длины трудно отличить перенос сайта от его возникновения). Таким образом, с помощью оригинальных алгоритмов описана совместная эволюция найденных нами потенциальных сайтов связывания и регуляторных факторов генов pro и самих генов вдоль дерева видов. Насколько авторам известно, такая совместная эволюция всех компонент системы регуляции на основе белок-ДНК взаимодействий ранее не была представлена для какого-либо гена.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Krishna R.V, Beilstein P., Leisinger T. Biosynthesis of proline in Pseudomonas aeruginosa. Partial purification and characterization of y-glutamyl kinase // Biochem. J. 1979. Vol. 181. P. 215-222.

2. Krishna R.V, Beilstein P., Leisinger T. Biosynthesis of proline in Pseudomonas aeruginosa. Properties of gamma-glu-tamyl phosphate reductase and 1-pyrroline-5-carboxylate reductase // Biochem. J. 1979. Vol. 181. P. 223-230.

3. Селиверстов A.B., Любецкий B.A. Регуляция биосинтеза пролина у протеобактерий // Молекулярная биология. 2007. Т. 41(3). С. 572-574.

4. Официальный сайт Proline (URL: http:// lab6.iitp.ru/ ru/proline/ 10.2.10).

5. Леонтьев Л.А, Любецкий B.A. Алгоритм определения белка, согласованного с заданным филогенетическим профилем // Информационные процессы (www.jip.ru). 2006. Т. 6(1). С. 24—32.

6. Kisker C., Hinrichs W, Tovar K, Hillen W, Saen-ger W. The complex formed between Tet repressor and tet-racycline-Mg2+ reveals mechanism of antibiotic resistance // J. of Mol. Biol. 1995. Vol. 247(2). P. 260—280.

7. Горбунов К.Ю., Любецкий B.A. Реконструкция эволюции генов вдоль дерева видов // Молекулярная биология. 2009. Т. 43(5). С. 946—958.

Поступила в редакцию 20.04.10

THE EVOLUTION OF PROLINE SYNTHESIS TRANSCRIPTIONAL

REGULATION IN GAMMA PROTEOBACTERIA

K.V. Lopatovskaya, K.Yu. Gorbunov, L.Yu. Rusin, A.V. Seliverstov, V.A. Lyubetsky

We report a conserved motif upstream genes proA and proB widely represented among y-pro-teobacteria, particularly in the genera Pseudomonas, Marinobacter and Shewanella. The conserved protein-DNA binding sites are 8 bp-long. Some genes have a duplet of sites for cooperative factor binding. The phylogenetic profiles of binding sites and all protein factors were compared. We identify a tetR family protein, an ortholog of the NP_249058 protein from P. aeruginosa PAO1, as a transcription factor. Our algorithm was applied to construct the tree of species with predicted regulation of the pro genes. The phylogeny of pro genes, transcription factors phylogeny and their

binding sites phylogeny were mapped onto the tree of species with our algorithm. The obtained scenario displays important HGT and the related events.

Key words: proline synthesis, TetR protein family, transcription regulation, j-proteobacteria, evolutionary scenario, horizontal gene transfer.

Сведения об авторах

Лопатовская Кристина Викторовна — мл. науч. сотр. Института проблем передачи информации имени А.А. Харкевича РАН. Тел. (485)699-83-54 (доб. 149); e-mail: kristina@iitp.ru

Горбунов Константин Юрьевич — канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотр. Института проблем передачи информации имени А.А. Харкевича УРАН. Тел. (485)699-83-54 (доб. 149); e-mail: gorbunov@iitp.ru

Русин Леонид Юрьевич — канд. биол. наук, науч. сотр. Института проблем передачи информации имени А.А. Харкевича УРАН. Тел. (485)699-83-54 (доб. 149); e-mail: roussine@yan-dex.ru

Селиверстов Александр Владиславович — канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотр. Института проблем передачи информации имени А.А. Харкевича УРАН. Тел. (485)699-83-54 (доб. 148); e-mail: slvstv@iitp.ru

Любецкий Василий Александрович — докт. физ.-мат. наук, зав. лабораторией Института проблем передачи информации имени А.А. Харкевича УРАН. Тел. (485)699-83-54 (доб.148); e-mail: lyubetsk@iitp.ru