Регулирование окисления серы при деградации перьев сульфидным и сульфан-серным-сенсорами у Bacillus licheniformis.
Подготовлено Камоцким Владиславом
Bacillus licheniformis разлагает перья птиц. Кератин в перьях богат цистеином, который метаболизируется с образованием токсчиных сульфидов и сульфановой серы(атомы серы соединены ковалентно в цепи друг с другом). Задача B. licheniformis, растущих на перьях, заключается в их детоксикации.
Был выявлен оперон генов в B. licheniformis для борьбы с этой токсичностью. Оперон содержит 11 генов: первый ген yrkD кодирует репрессор, 8-й и 9-й гены nreB и nreC кодируют двухкомпонентную регуляторную систему, а 10-й и 11-й гены кодируют сульфид-хинон-редуктазу (SQR) и персульфид-оксигеназу (PDO). SQR и PDO совместно окисляют сульфид и сульфановую серу до сульфита. Репрессор YrkD, при обнаружении сульфановой серы, репрессирует 11 генов. Система NreBC обнаружив сульфид и еще сильнее усиливает транскрипцию sqr и pdo. Эти две регуляторные системы синергетически контролируют экспрессию кластера генов, необходимого бактерии для роста на перьях.
B. licheniformis MW3 может окислять эндо- и экзогенный H2S через SQR-PDO путь, который распространен у гетеротрофных бактерий. Гены, отвечающие за окисление серы, расположены в генном кластере из 11 генов, кодирующих три регуляторных белка YrkD, NreB и NreC. YrkD репрессирует два промотора: один начинается перед геном yrkD и дает транскрипт из всех 11 генов, а другой начинается после yrkD, ведущий к транскрипту оставшихся десяти генов. Наличие двух промоторов может усилить интенсивность транскрипции последних десяти. Низкий уровень экспрессии sqr и pdo в мутанте ΔyrkD и обнаружение сократной транскрипции nreC и sqr подтверждают, что sqr и pdo также транскрибируются с дистальных промоторов. Сниженные уровни транскриптов sqr и pdo по сравнению с другими генами в генном кластере могут быть вызваны селективной обработкой и стабилизацией РНК, которая разбивает полицистроническую мРНК на маленькие фрагменты, а их стабильность определяется вторичными структурами на 3'-концах каждого фрагмента. Однако экспрессия sqr и pdo от двух промоторов, регулируемых YrkD, недостаточна, так как удаление nreB и nreC существенно уменьшает окисление сульфида, а профиль индукции sqr и pdo в sqr-pdo-R штамме был почти таким же, как у MW3. Их адекватная экспрессия требует системы NreBC. Система NreBC активируется сульфидом, который значительно увеличивает уровень транскрипции sqr и pdo.
Среди четырех сообщенных регуляторных белков, отвечающих за окисление серы, CstR является гомологом YrkD с 50% идентичностью последовательности. CstR использует два консервативных цистеиновых остатка для обнаружения сульфанил-серы и образует ди- и трисульфидные связи между двумя цистеиновыми остатками в соседних мономерах тетрамера, а измененный CstR дерепрессирует контролируемые им промоторы. YrkD также содержит два консервативных цистеиновых остатка. Поэтому ожидается, что YrkD функционирует так же, как и CstR.
NreBC является гомологом NreBC (NreBCSc) из S. carnosus. Результаты показали, что оба белка NreC имеют 40,0% идентичность последовательности и распознают похожие сайты связывания с ДНК. Однако у двух систем есть отличия. Система NreBCSc содержит дополнительный компонент NreASc. NreASc - рецептор нитрата, и связанный с нитратом NreASc взаимодействует с NreB и ингибирует его фосфорилирование. Идентичность последовательности между доменами PAS двух белков NreB низкая - 26,7%. Его филогенетическое отношение с известными гомологами указывает на то, что домен PAS NreB отличается от характеризованных гомологов . Все эти типичные гомологи домена PAS, которые используют гем B в качестве кофактора, обнаруживают O2, CO или NO, но домен PAS NreB обнаруживает H2S. Эти результаты свидетельствуют о том, что домен PAS NreB имеет различные структурные особенности для обнаружения H2S.
NreB может использовать свой связанный гем для обнаружения сульфида, так как было показано, что два белка, содержащих гем, обнаруживают H2S. «Датчик» кислорода E. coli (DosP) содержит два домена, домен PAS с гемом и каталитический домен, который гидролизует би-(3'-5')-циклический гуанозинмонофосфат (c-di-GMP). Восстановленная форма (Fe2+) или окисленная форма (Fe3+) DosP не очень активна, но активность комплекса O2−, связанного с восстановленным DosP (Fe2+-O2), или сульфидом, связанным с окисленным DosP (Fe3+-SH−), значительно увеличивается. Окисленный (Fe3+) DosP обнаруживает сульфид при относительно высоких концентрациях от 50 до 500 мкм. Было обнаржено, что система , чувствительная к кислороду DosS из Mycobacterium tuberculosis обнаруживает недиссоциированный H2S. DosS содержит домен GAF, содержащий гем, и окисленная форма с гемом Fe3+ имеет низкую киназную активность. Когда он связывается с недиссоциированным H2S, Fe3+ восстанавливается до Fe2+, что активирует его киназную активность. Затем DosS может передать фосфорильную группу DosR, который регулирует регулон покоя в M. tuberculosis. Домены PAS и GAF структурно сходны. Однако домен PAS NreB не был филогенетически связан с DosP и DosS. Как NreB обнаруживает сульфид, требуется дальнейшее исследование.
В бактериях каскадные регуляции не являются редкостью, и они регулируют различные функции, такие как флагеллы, кворум-сенсинг и вирулентность. Большинство каскадных регуляций инициируются глобальным транскрипционным фактором, который активирует другие регуляторные факторы, и сигналы этих регуляторных факторов обычно не одинаковы. Здесь в пути окисления сульфида каскадная регуляция реализуется в B. licheniformis MW3. Сигналами являются H2S и сульфанилсеры, которые взаимно конвертируются. H2S окисляется SQR до сульфанилсера, а сульфанилсер снижается с помощью клеточных тиолов для образования H2S и окисленных тиолов. B. licheniformis MW3 использует бациллитиол как основной низкомолекулярный тиол внутри клетки, и у него схожие химические свойства с GSH57. Следовательно, сульфид может быть образован путем окисления бациллитиола, если в клетках накапливается сульфанилсер. Транскрипция sqr и pdo подвержена влиянию нескольких факторов. Во-первых, YrkD инактивируется сульфанилсерой, что приводит к транскрипции sqr и pdo на низком уровне, а продуцированный SQR может дополнительно увеличивать клеточную сульфанилсеру. Увеличенные NreB и NreC инициируют транскрипцию sqr и pdo на их промоторе. Когда NreB чувствует H2S, транскрипция sqr и pdo существенно усиливается.
Кластер генов также содержит другие гены, связанные с метаболизмом серы, помимо sqr, pdo и трех генов, кодирующих две регуляторные системы. Кластер генов yrkE-ydfQ появляется с неизвестной функцией. YrkH, вероятно, является вторым PDO, так как он гомологичен другим PDO. TauE - потенциальный транспортер сульфита, а его гены обычно ассоциируются с кластерами генов sqr и pdo. YdfQ гомологичен тиоредоксинам. Тиоредоксин превращает персульфид в H2S. YrkE, YrkF и YrkI гомологичны DsrE, RHOD и TusA соответственно. В фиолетовых сероводородных бактериях Allochromatium vinosum сернистый сера в форме персульфида передается от RHOD к TusA, а затем к DsrE; конечным акцептором сернистого серы является DsrC, а DsrAB окисляют сернистый серу в DsrC до сульфита. В S. aureus три гена объединены в cstA внутри кластера генов, содержащего sqr и pdo. Домен RHOD CstA выделяет сернистый серу из тиосульфата и образует персульфид на своем активном сайте. Сернистый сера персульфида на домене RHOD может передаваться на цистеиновый остаток домена TusA, что говорит о том, что эти домены являются серотрансферазой и переносчиком серы. Однако физиологические функции YrkE, YrkF, YrkI и YdfQ в B. licheniformis неизвестны. Таким образом, эти 6 генов кодируют белки, связанные с передачей, окислением или восстановлением сернистой серы, но их физиологические функции во время окисления H2S в B. licheniformis требуют дальнейшего исследования.
Исследования показали, что основная функция генной кластерной связана с помощью клеткам B. licheniformis адаптироваться к условиям пера. Кератин пера богат на остатки цистеина, и результаты свидетельствуют о том, что B. licheniformis разлагает перо до цистеина. Накопление цистеина является двуединственным мечом. Недавний отчет указывает на то, что сниженный уровень цистеина участвует в снижении дисульфидных связей белков кератина; однако избыток цистеина является токсичным для бактериальных клеток. Этот генный кластер помогает бактериальным клеткам сопротивляться стрессу цистеина, так как мутанты, не способные выражать sqr-pdo и yrkE-ydfQ, более чувствительны к добавленному цистеину. Внешний цистеин значительно увеличивает клеточный сульфаниловый серу и H2S в B. licheniformis. В свою очередь, сульфаниловый сера и H2S стимулируют производство SQR и PDO, которые могут окислять их и снижать их клеточную концентрацию. Как YrkD, так и NreBC были необходимы для того, чтобы клетки справлялись с стрессом сульфида, и только YrkD был необходим для того, чтобы клетки справлялись со стрессом сульфанилового серы. Результаты указывают на то, что регуляция каскада имеет разделение труда. Регуляция, осуществляемая чувствительным к сульфаниловому серу YrkD, является критической в борьбе с токсичностью сульфанилового серы, а наличие SQR и PDO, контролируемых NreBC, было более специальным в борьбе со стрессом сульфида. Каскадная регуляция этого пути также важна для сопротивления стрессу, вызванному цистеином. Удаление YrkD неожиданно не улучшило способность клеток справляться с высокой концентрацией цистеина на агаре, хотя штамм MW3 выращивался лучше, чем ΔyrkD в присутствии 50 мкМ сульфида. Возможно, повышенный уровень базальной экспрессии sqr преобразует H2S в сульфановую серу, и сниженный уровень H2S снижает экспрессию sqr и pdo через систему NreBC. Таким образом, каскадная регуляция этого генного кластера помогает бактерии справляться с токсичностью цистеина.
Список использованных источников:
1. Tang C. et al. A sulfide-sensor and a sulfane sulfur-sensor collectively regulate sulfur-oxidation for feather degradation by Bacillus licheniformis // Commun Biol. 2023. Vol. 6, № 1. P. 167. |
Скачать 26.21 Kb.