描述的DsrK和DsrO Allochromatium vinosum使用氨基酸序列和其他变形菌门

文摘

硫代谢是已知的最古老的一氧化还原地球化学循环在我们的环境中。一个操纵子参与这个过程称为域的操纵子。操纵子是参与环境的平衡和利用硫化合物。中央的球员之一的操纵子DsrMKJOP复杂。DsrO是周质的蛋白质和结合菲斯集群DsrP主要负责电子转移。可以参与电子转移从DsrP DsrP DsrM。DsrK DsrM将捐出电子,这种复杂的催化亚基。在目前的研究中,我们试图分析的可能的分子细节DsrO和DsrK蛋白质从一组不同的微生物物种只使用他们的序列信息。有一些变异出现在蛋白质的守恒的域。这些突变带来一些额外的功能蛋白质。 Sequences of the DsrO and DsrK proteins from different proteobacterial species have been analyzed to study the effects of mutations in the sequences and a phylogenetic relationship between the organisms has been drawn. We analyzed the secondary structural patterns of the DsrK and DsrO proteins also. There are no previous reports that deal with the bioinformatic analysis of the DsrO and DsrK protein. This is so far the first report of its kind. Our study would therefore pave the pathway to future genetic and mutational studies using DsrK and DsrO proteins that would lead to illumination of the biochemical mechanism of sulphur metabolism.

关键字

域的操纵子,DsrO DsrK蛋白质、序列比对,突变分析、系统发育关系

介绍

硫循环是世界上一种重要的生物地球化学循环。硫有各种氧化态即。,+ 6 - 2,这使得元素能够参与许多不同的生物过程。基于硫化疗或photolithotrophy是这些过程涉及的电子转移减少硫化合物。硫代谢meadiated由一组不同的微生物。不同的硫离子丰富的性质和使用这些组微生物硫化、聚硫、硫代硫酸盐,以及元素硫。只有非常小的分子机制了解生态工业重要的过程和微生物。其中一个是Allochrmatium vinosum,主要成员的紫色硫细菌存在光合作用将减少硫化合物作为电子给体(1]。最近的研究与Allochrmatium vinosum透露,多个基因集群基因comrpising dsrA dsrB, dsrE, dsrF, dsrH,短距离,dsrM, dsrK, dsrL, dsrJ, dsrO, dsrP, dsrN,安全域和dsrR参与这个过程2]。有机体a vinosum已经使用在不同的工业过程,即,废物治理和消除有毒化合物,如有气味的硫化合物硫化甚至炸药(1]。这种生物也被用于生产工业相关organo-chemicals如维生素或bio-polyesters和生产生物制1]。从目前litterature透露,在硫氧化剂a Vinosum硫小球的退化是严格依赖于DsrMKJOP蛋白质的存在(2]。DsrJ,周质蛋白,可能参与了一个假定的硫氧化底物在周质和释放电子将是跨膜运输通过其他组件(DsrO、DsrP DsrM, DsrK先后)DsrMKJOP复杂(2]。DsrO是周质的iron-sulfur, ferredoxin-like蛋白(2]。DsrP和DsrM都quinone-inter-acting跨膜蛋白,血红素b在DsrP可以参与电子转移从DsrP DsrM [2]。DsrM可能作为DsrK醌醇氧化酶捐赠电子工作。DsrK提出了胞质铁硫蛋白,和催化亚基DsrMKJOP蛋白质复合体,它充当一个二硫还原酶(异性),及其底物蛋白质DsrC可能(2]。所以,DsrO和DsrK实验都证明是FeS-containing蛋白(2)参与到电子转移。在我们的研究中,我们试图描述DsrO DsrK蛋白质在序列水平。我们分析了这两种蛋白质的氨基酸序列不同的变形菌门。我们预测假定的二级结构,以及守恒的领域出现在这些蛋白质。这些蛋白质的多个序列分析揭示某些突变蛋白的存在。我们还预测这些突变的影响出现在守恒DsrK和DsrO蛋白质和相关领域的影响与微生物的分类分布突变。至今没有这样的报告,处理分析这两个突变的蛋白质使用生物信息学方法。因此这项工作是第一的。因为没有先前的报道关于DsrO和DsrK蛋白质的分子细节我们的工作将因此重要分析生化dsr操纵子的细节。

材料和方法

序列同源性搜索和成对排列的序列

蛋白质从NCBI数据库,Allochromatium vinosum DSM 180作为输入用于爆炸。爆炸计划(3)是运行使用算法Blastp(蛋白质爆炸),非冗余(nr)蛋白质序列数据库。爆炸的结果是由最大的身份,29日生物选择研究已大于50%的身份。我们移除了未耕作的细菌种类,从收集到的序列冗余。只有那些氨基酸序列的选择有明确注释,没有模棱两可。NCBI refseq选择收集所需的序列,因为它提供了全面、综合、冗余和一套好的注释的序列。DsrO的名称和DsrK蛋白质所选的微生物是下面列出的。

这些序列被用作输入运行程序爆炸使用默认参数,为了找出这些蛋白的保守域。爆炸结果再次产生相同的一组序列之前获得的。这可能被视为一种仔细检查我们的初步结果下载序列。

二级结构预测

DsrO和DsrK蛋白质的二级结构分别为28和29个不同的生物从氨基酸序列预测蛋白质使用网络分析服务器((电子邮件保护))。我们使用以下方法:SOPM HNN, DPM, DSC,倾心于我,气油比三世,博士,捕食者。二级结构分为α螺旋,随机线圈,延长链等。

预测守恒的域

DsrO的守恒的功能域和DsrK蛋白质预测的输出(包含了4]。包含了搜索我们使用这些蛋白质的氨基酸序列。

多重序列比对(MSA)

为了研究28和29中节约蛋白质序列分别为DsrO和DsrK蛋白质我们通过MSA序列生成配置文件,使用默认参数的软件工具ClustalW [5]。

我们使用的全部序列DsrO和DsrK在2.1节中提到的生物。结果的MSA突变序列的存在被发现。

在保守域突变分析

重大突变保守域的两种蛋白质中发现使用包含了MSA分析。包含了搜索使我们能够检测这些蛋白质存在额外的子域。这些额外的子域参与不同的代谢过程所需的生物取决于它们的栖息地。

距离矩阵计算和构建系统发育树

一个距离矩阵生成使用大型[6]。这个工具使用的最大组合可能性(制程)方法来估计进化序列之间的距离。制程的方法不同于现有方法的进化距离估计,其中每个距离估计独立于他人,通过分析公式或方法的可能性。

结果

二级结构预测

共识DsrO和DsrK蛋白质的二级结构模式a vinosum从平均获得的二级结构预测方法在2.2节中提到的手稿进行了比较表3并提出了无花果。1和1 b分别。

DsrO二级结构(无花果。1)和DsrK (无花果。1 b)Allochrmatium vinosum。颜色代表图:α螺旋(橙色),延长链(蓝色),随机线圈(无色)。

预测守恒的域

DsrO蛋白的全长序列揭示了一个重要的蛋白质家族,Fer4_11即4 fe-4s discluster域(PF13247)氨基酸残基125 - 224年和另一个无关紧要的家庭,Fer2_11i.e。4 fe-4s绑定域(IPR001450)氨基酸位置64 - 84。这个总科包括蛋白质包含域绑定到iron-sulphur集群。成员包括细菌铁氧还蛋白、各种脱氢酶、和各种还原酶。结构域是一个alpha-antiparallelβ三明治。域包含两个4 fe4s集群。基于序列分析,此前报道,DsrK包含两个古典CX2CX2CX3C绑定网站[4 fe-4s]集群和一个c端20域的序列CX43CCGX40CX2C可能绑定一个额外的推定地催化(菲斯)集群(2]。在我们的结果包含了完整的序列DsrK显示显著的两个蛋白家族带4 _8 (4 fe-4s discluster域,PF13183)和20 (Cystein-rich域,IPR004017)氨基酸位置分别为73 - 159和368 - 467人。20蛋白质家族包含四个保守的半胱氨酸。该集团包括蛋白质定性为:heterodisulphide还原酶,B亚基(HrdB);琥珀酸脱氢酶亚基C;Fe-S氧化还原酶;glycerol-3-phosphate脱氢酶亚基C;和乙醇酸氧化酶iron-sulphur亚基(GlcF) [7]。另一个无关紧要的比赛发现128 - 163氨基酸残基的蛋白质家族命名alpha-hel2(α螺旋域2,PF14456)。一个α螺旋域基因中发现社区编码基因含有细菌同源染色体的组件的泛素修饰途径如E1、E2、乌兰巴托和注射肽酶蛋白质。这些守恒的两种蛋白质功能域的保证他们的实验证据Fe-S绑定域通过生物信息学的方法。但是他们所有的在相关电子转移通过MKJOP复杂的我们还不了解。所以,这些守恒的突变发生在任何一个领域帮助他们形成任何功能特异性是我们的下一个研究主题。

守恒的域内变异研究

DsrO和DsrK蛋白质的氨基酸序列从所有这些生物从生成的序列资料,分析了MSA ClustalW使用软件工具。DsrO的MSA结果显示45守恒和25同义替换全局比对;而95年DsrK守恒和64同义替换被指出。其余位置的排列发生了一些明显的突变。我们分析了这些重要的变异使用包含和获得一些新的子域的存在。这里描述的重要的子域分析从包含在以下段落。

在DsrO蛋白质,一个新的子域名类似答(twin-arginine易位)通路信号序列蛋白质家族(IPR019546)被发现在一些生物8-30氨基酸残基的位置。这种蛋白质传输折叠蛋白质在能量转换膜(8]。在Thioalkalivibrio sulfidophilus HL-EbGr7突变在氨基酸序列的位置找到37。有以下两个子域被发现:CytB6-F_Fe-S (PF08802) (IPR014909)和红素氧还蛋白(IPR024935) (PF00301)。细胞色素B6-F复杂出现在氨基酸序列生成7-28,介导光系统II (PS II)之间的电子转移光系统I (PS I),循环电子PSI绕流和状态转换。此域对应的α-螺旋跨膜域细胞色素B6-F复杂Rieske iron-sulphur亚基。红素氧还蛋白蛋白质域跨度在氨基酸序列范围内37 - 62。它是一种低分子量的含铁细菌蛋白质参与电子传递有时取代铁氧还蛋白作为电子载体(9]。红素氧还蛋白拥有45 - 55-residue域包含一个铁原子四面体地协调四个半胱氨酰残基。结构域的分析已经表明他们被并入一个简短的三股反平行的β褶板和循环。52 (I)的突变的内共生体Bathymodiolus sp.透露无关紧要的比赛在氨基酸位置与Iron_permease 44 - 79 (PF04120) (IPR007251),即低亲和力铁透性酶。它原本被确认为一种低亲和力铁(II)通透酶(10]。Fet4已经被证明能够导入其他过渡金属离子,包括铜和锌

在DsrK几个子域被发现这里描述。的丝氨酸蛋白酶抑制剂(IPR004094)属于MEROPS抑制剂的家庭。他们S1家族的抑制丝氨酸肽酶(11),的特点是一个保守的半胱氨酸残基模式。发现在氨基酸位置145 - 161。甘氨酸还原酶复杂硒蛋白(GRDA)蛋白质域的家庭(IPR006812)发现在5811年和内共生体Thiocapsa码头Riftia pachyptila(发泄Ph05)氨基酸序列生成188 - 214。这种蛋白质包含一个活跃的站点硒代半胱氨酸和催化作用的还原脱氨基作用,甘氨酸,这是正磷酸盐的酯化反应耦合导致ATP的形成(12]。Thiorhodovibrio sp。970年在氨基酸位置53突变显示新的域跨越30 - 63名为Enterotoxin_b (IPR001835)。这是heat-labile肠毒素是一种细菌蛋白毒素的AB5多聚体结构,在B五聚物有membrane-binding功能和酶活性(所需的一环13]。从实验分析

还发现,DsrK有膜结合地区和它是MKJOP复杂的催化亚基(2]。腺苷酸环化酶相关(CAP) N终端(CAP_N) (IPR013992)被发现在Beggiatoa sp。PS和Alkalilimnicola ehrlichii MLHE-1在氨基酸序列生成225 - 275。这个n端结构域负责腺苷酸环化酶激活。Candidatus Vesicomyosocius okutanii HA”救援计划以政府间移民委员会的183氨基酸位置显示突变新域从169 - 209年,即山姆像域存在于激酶抑制RAS 1 (KSR1-SAM) (IPR025561)。发现这个山姆喜欢域在Ras蛋白激酶抑制,这是location-regulated脚手架蛋白连接MEK皇家空军。(相关肽酶M16C M16C_assoc) (IPR013578)中发现Candidatus Ruthia华丽号str。厘米(Calyptogena华丽号)在氨基酸生成208 - 234。发现催化所需metalloproteases C终点站附近。另一个重要领域中发现N-6 DNA甲基化酶(N6_Mtase) (IPR003356)硫杆菌denitrificans写明ATCC 25259 417氨基酸的位置。这个领域从397 - 438年在N-6 adenine-specific DNA甲基化酶I型和IC限制型系统。这些酶负责特定DNA序列的甲基化,以防止主机通过限制性内切酶消化自己的基因组。

在这个新的领域学习有助于我们学习的功能重要性DsrO和DsrK蛋白质。额外的功能是显示包含了观察到的存在域肽酶或蛋白激酶相关家庭所需催化DsrK蛋白质。现在,在一个。vinosum这些分类学的相关微生物的突变如何帮助形成Fe-S结合蛋白DsrK和DsrO可以理解。

DsrO已经报道的系统发育研究14),所以我们专注于DsrK的系统发育关系。我们使用多重序列比对(MSA)检测序列保护/ DsrK蛋白质的变化在所有29个不同的生物。为了获得这些蛋白质之间的系统发育关系组成29不同proteobacterial物种系统发育树(属于类Alphaproteobacteria Betaproteobacteria, Gammaproteobacteia)构造(无花果。2)。在树的顶部的分支Allochromatium vinosum和Thiorhodococcus drewsii AZ1联合在一起。这两种微生物孢子,嗜中温,属于海洋或碱性的栖息地。胞内多孔膜,能够利用硫化氢、硫、硫代硫酸盐,在厌氧和氢分子作为电子给体光养增长。单质硫小球是暂时性的存储在这些微生物的细胞(1;15)。984年与他们Marichromatium purpuratum Thiocystis violascens DSM 198年Thiocapsa滨5811年Thioflavicoccus mobilis 8321年Thiorhodovibrio sp。970年成立了一个小组。所有这些生物属于王国:细菌门:变形菌门类:Gammaproteobacteria秩序:Chromatiales家庭:着色菌科(14;16)。因此他们的分组在一起是非常重要的。 Similarly, the next branch showed similar physiological characteristic organisms Beggiatoa alba B18LD, Beggiatoa sp. PS and Beggiatoa sp. SS belonging Kingdom: Bacteria; Phylum: Proteobacteria; Class: Gammaproteobacteria; Order: Thiotrichales; Family: Thiotrichaceae; Genus: Beggiatoa. The same trend followed throughout the phylogenetic tree. At the bottom of the tree had Magnetospirillum gryphiswaldense MSR-1, Magnetospirillum magnetotacticum MS-1, Magnetospirillum magneticum AMB-1, Magnetospirillum sp. SO-1 belong to the Kingdom: Bacteria; Phylum: Proteobacteria; Class: Alphaproteobacteria; Order: Rhodospirillales; Family: Rhodospirillaceae; Genus: Magnetospirillum. Magnetospirillum is a Gram-negative, microaerophilic genus of magnetotactic bacterium with spirillar or helical morphology; motile; and has peculiar capacity to orient itself according to Earth's magnetic field, named magnetotaxis which is achieved through the special organelles called magnetosomes [17]。因此,他们成立了一个小组。横向基因转移的重要性分布的dsr基因的进化枝中强调的硫化氧化剂包含过去的远亲物种的成员。因此,可以很容易地得出结论,细菌物种的系统发育安排遵循分类年表。

讨论

在这个工作我们试图分析DsrO的细节和DsrK dsr操纵子的蛋白质序列的水平。两种蛋白质的核心球员dsr操纵子和参与电子传递过程。我们分析了这些蛋白质的二级结构模式。这些蛋白质的序列分析揭示保守域的存在。有一些蛋白质的保守域的内部存在突变。这些突变带来一些额外的功能蛋白质。突变分析证实,DsrO是一种含有蛋白质绑定菲斯iron-sulphur集群。DsrK也包含蛋白质绑定的菲斯iron-sulfur集群和半胱氨酸富领域。最后,我们分析了DsrK蛋白质使用系统发育树。我们的研究是第一的。 Till date there are no previous reports regarding the in depth analyses of DsrO and DsrK proteins from their amino acid sequences. Our study would therefore pave the pathway to future genetic and mutational studies using these two proteins that would lead to illumination of the biochemical mechanism of sulfur metabolism.

确认

Semanti Ghosh女士是感谢Kalyani大学印度西孟加拉邦政府的财政支持。我们要感谢生物信息学基础设施设备以及DST-PURSE计划2012 - 2015年在生物化学和生物物理学,Kalyani大学的支持。

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