Рибосомный белок L12: копийность и её регуляция Abstract

реклама
Рибосомный белок L12: копийность и её регуляция
Яков Давыдов
Научно-технический центр «БиоКлиникум»
davydov@bioinf.ru
Ольга Цой
Институт проблем передачи информации им. А. А. Харкевича РАН
little.koreec@gmail.com
Ирена Артамонова
Институт общей генетики им Н. И. Вавилова РАН
Институт проблем передачи информации им. А. А. Харкевича РАН
irenart@vigg.ru
Александр Тоневицкий
Московский Государственный Университет им. М .В. Ломоносова
Научно-исследовательский институт общей патологии и патофизиологии РАМН
Научно-технический центр «БиоКлиникум»
tonevitsky@mail.ru
Аннотация
мофильной бактерии — Thermus thermophilus [2].
Также экспериментально определено число молекул
L12 в рибосоме Agrobacterium tumefaciens (шесть),
Bacillus subtilis (четыре), Thermus aquaticus (шесть)
и Bacillus stearothermophilus (четыре) [3, 4].
Белок L12 является единственным белком большой субъединицы, который связывается с 23S rRNA
не напрямую, а посредством белка L10. Димеры белка L12 связываются с восьмой — последней — α спиралью белка L10 (далее α 8). Участки связывания
димеров белка L12 расположены последовательно на
спирали, между участками связывания L12 на α 8
спирали имеются изломы.
Для оценки копийности L12 мы использовали
данные предсказания вторичной структуры белка
L10.
Бактериальный рибосомный белок L12 является
единственным многокопийным белком рибосомы.
Рибосома Escherichia coli содержит четыре молекулы белка L12, в то время, как у термофильных бактерий Thermotoga maritima и Thermus thermophilus
одна рибосома содержит шесть молекул белка L12.
В данной работе мы предсказали число молекул белка L12 в рибосоме более чем для 1200 видов бактерий. Были обнаружены виды, в рибосомах которых
присутствуют восемь молекул белка L12. Был проведен филогенетических профилей, коррелирующих
с копийностью L12. Рассмотрены возможные механизмы поддержания необходимого соотношения
белков в рибосоме.
2. Результаты и обсуждение
1. Введение
Предсказание вторичной структуры белка L10
позволило нам выделить α 8 спираль (спираль, отвечающую за связывание димеров белка L12). Распределение длин α 8 спирали имеет четкую бимодальную структуру (рис. 1). Расстояние между модами образующих его распределение составляет девять аминокислот, что соответствует длине участка
связывания димера белка L12.
Белок L12 (также именуемый L7/L12) является единственным многокопийным белком рибосомы
бактерий. В составе рибосомы белок L12 присутствует в форме димеров. Рибосома Escherichia coli содержит четыре молекулы белка L12. В то же время
рибосома Thermotoga maritima [1] содержит шесть
молекул белка L12, как и рибосома другой тер-
288
Рис. 1. Гистограмма распределения длины α 8
спирали белка L10 бактерий.
Таким образом, по-видимому, длина α 8 спирали
строго взаимосвязана с количеством димеров белка
L12, которое способен связать белок L10. Наша гипотеза состоит в том, что мы можем предсказать количество сайтов связывания L12 на белке L10 по длине
α 8 спирали.
Мы оценили количество сайтов связывания L12
для 1221 вида бактерий. Всего было обнаружено 535
видов с четырьмя молекулами L12 в рибосоме и 686
— с шестью. Данные предсказания полностью совпадают с ранее полученными экспериментальными
данными.
Рис. 2. Лого α 8 спирали белков L10 цианобактерий.
ную монофилетическую группу. Поскольку независимое приобретение вставки является маловероятным событием, мы предполагаем, что у общего предка цианобактерий в рибосоме содержалось восемь
молекул белка L12, а впоследствии некоторые виды
цианобактерий потеряли один из димеров L12.
При помощи масс-спектрометрии была проведена оценка числа белков L12 в рибосоме цианобактерии Arthrospira platensis. Для достижения точных
оценок количества, использовались пептиды меченые изотопом. Эти пептиды обладали идентичной с
нативными пептидами последовательностью, а также одинаковыми физико-химическими свойствами.
Поскольку меченые пептиды добавлялись в известных концентрациях, стало возможным получить
точные концентрации исходных пептидов, а значит
и белков. Результаты эксперимента полностью совпали с предсказанием: в рибосоме A. platensis обнаружено восемь молекул белка L12.
2.1. Восемь копий L12
В то время, как у большей части бактерий длина α 8 спирали составляла не более 47 аминокислот,
у ряда бактерий α 8 спираль была значительно длиннее (около 55 аминокислот). Большинство этих бактерий относятся к цианобактериям (сине-зеленым
водорослям).
В нуклеотидной последовательности гена, кодирующего белок L12, — rplL — этих цианобактерий содержится вставка длиной 33 нуклеотида, что
соответствует длине необходимой для связывания
дополнительного димера белка L12 — одиннадцати
аминокислотам. Все четыре предполагаемые участки связывания димера белка L12 имеют схожие мотивы (рис. 2). Мотивы второго, третьего и четвертого участка связывания имеют более высокую степень гомологии. Это говорит о том, что эти участки
возникли в результате дупликации.
Несмотря на то, что найденные бактерии относятся к типу цианобактерий, они не образуют еди-
2.2. Поиск ассоциированных свойств
Известно, что белок L12 стимулирует ГТФазную активность некоторых факторов трансляции.
289
Также было показано, что уменьшение числа молекул L12 может негативно сказываться на точности
трансляции.
При этом открытым остается вопрос о причинах
различной копийности белка L12 у различных видов. Для ответа на этот вопрос были исследованы
филогенетические профили 50 бактерий.
Были рассмотрены 4017 филогенетических профилей из базы данных COG. С использованием точного теста Фишера был проведен поиск корреляции
между копийностью L12 и наличием различных генов.
После применения поправки БенджаминиХохберга было обнаружено восемь генов с p-value <
0.01 (таблица 1).
Идентификатор
COG1854
COG1299
COG1445
COG0327
COG0499
COG1534
COG4668
COG0116
было показано, что перед rplL находится независимый промотор. Было показано, что такое расположение справедливо для всех рассматриваемых геномов. В окружении этих генов часто находятся гены
rplA, rplK, rpoB и rpoC, кодирующие белки L1, L11,
β и β ′ субъединицы РНК-полимеразы.
Исследование межгенных областей показало наличие консервативной структуры перед геном rplJ,
возможно образующую вторичную структуру. Перед
геном rplL консервативных структур не обнаружено,
что может говорить об отсутствии промотора или
его небольшой силе.
Был проведен анализ транскриптомных данных [6] для E. coli. Сравнение уровней экспрессии
мРНК rplJ и rplL показало, что концентрация транскрипта rplL на 10-15% выше, чем у rplJ. Таким образом наличие независимого промотора гена rplL не
может являться основным механизмом поддержания
копийности L12.
Тем не менее, анализ данных покрытия рибосомами [7] показал, что количество рибосом на одну
мРНК у rplL по сравнению с rplJ выше в 3.5 раза
(рис. 3).
Название кластера
LuxS protein involved in
autoinducer AI2 synthesis
Phosphotransferase
system, fructose-specific
IIC component
Phosphotransferase
system fructose-specific
component IIB
Uncharacterized
conserved protein
S-adenosylhomocysteine
hydrolase
Predicted RNA-binding
protein
containing
KH domain, possibly
ribosomal protein
Mannitol/fructose-specific
phosphotransferase
system, IIA domain
Predicted
N6-adeninespecific DNA methylase
Таблица 1. Гены, имеющие биологическую связь
с копийностью. Идентификатор приведен по базе
данных COG.
2.3. Регуляция копийности
Рис. 3. Соотношение покрытия ридами участков
мРНК, защищенных рибосомами [7], и полной
мРНК для генов, кодирующих белки рибосомы E.
coli. Размер гена пропорционален соотношению.
Мы рассмотрели несколько возможных механизмов поддержания копийности: на уровне генного состава, транскрипции, трансляции или путем протеолиза.
Для 492 геномов был проведен поиск гена rplL.
Среди рассматриваемых организмов не было обнаружено ни одного случая присутствия более чем одной копии гена rplL. Таким образом, генный состав
не оказывает влияния на стохиометрию.
У E. coli ген rplL в геноме следует непосредственно за геном rplJ, кодирующим белок L10. Ранее
На основе полученных результатов выдвинуто
предположение о том, что основным механизмом
регуляции копийности является высокая привлекательность мРНК rplL для рибосомы. Которая может быть объяснена наличием вторичной структуры, увеличивающей эффективность трансляции.
290
Список литературы
[1] M. Diaconu et al. Structural basis for the function of
the ribosomal L7/12 stalk in factor binding and GTPase
activation, Cell, 2005, pp. 991–1004.
[2] L. L. Ilag et al. Heptameric (L12)6/L10 rather than
canonical pentameric complexes are found by tandem
MS of intact ribosomes from thermophilic bacteria,
Proceedings of the National Academy of Sciences of the
United States of America, 2005, pp. 8192–7.
[3] E. S. Grebenyuk et al. Studying the copy number of
ribosomal protein L7/L12, Bulletin of Experimental
Biology and Medicine, 2009, pp. 587–591.
[4] Y. Gordiyenko et al. Mass spectrometry defines the
stoichiometry of ribosomal stalk complexes across the
phylogenetic tree, Molecular & Cellular Proteomics,
2010, pp. 1774–1783.
[5] Y. Maki et al. Three binding sites for stalk protein
dimers are generally present in ribosomes from archaeal
organism, The Journal of Biological Chemistry, 2007, pp.
32827–33.
[6] C. Kahramanoglou et al. Direct and indirect effects
of H-NS and Fis on global gene expression control
in Escherichia coli, Nucleic Acids Research, 2011, pp.
2073–91.
[7] G.-W. Li et al. The anti-Shine–Dalgarno sequence drives
translational pausing and codon choice in bacteria,
Nature, 2012, pp. 538—541.
291
Скачать