文摘
因为大量的电子受体的代谢能力如硝酸盐、亚硝酸盐、延胡索酸酯,和金属氧化物,Shewanella近年来吸引了很多注意力。一般来说,使用这些电子受体主要是通过电子转移蛋白质及其相互作用将细胞动态变化在不同的环境条件。因此,condition-specific分子网络的功能分析可以揭示生物信息电子转移过程。通过整合表达数据和分子网络,我们构造condition-specific分子网络Shewanella piezotoleransWP3。然后我们确定condition-specific关键基因并研究其潜在的功能强调他们的角色在电子转移过程。功能模块分析表明,不同的鞭毛组装模块出现在这些条件下,建议鞭毛蛋白对这些条件很重要。我们还确定了电子转移模块底层各种环境条件。目前的结果可以帮助筛选电子转移基因和理解在各种环境条件下的电子转移过程Shewanella物种。
1。介绍
细胞生物学过程不是由单个分子而是基因之间的相互作用,蛋白质,代谢产物,以及许多其他生物分子在潜在的分子网络(1,2]。人们普遍认为,分子网络是高度模块化的,和不同的网络模块可以用来执行不同的细胞功能。因此,网络中识别和提取功能模块不仅有助于理解分子网络的结构和功能关系,也有助于发现网络中隐藏的生物规则。这有许多重要的实际应用,如推断function-related或coregulated基因集(3]。研究人员已经提出了很多方法来预测功能模块在网络4]。
由于生物体的复杂特征不是由单一突变或基因变异引起,通过改变函数的分子网络,网络中的功能模块将会改变在不同环境条件下,生物,和细胞过程5]。因此,它是很难获得condition-specific功能模块通过一般的交互数据。分子网络的功能模块应该研究结合condition-specific表达数据和分子网络(6,7]。
由于其代谢多样性,Shewanella物种已经备受关注,被广泛应用于许多领域,如能源生产、污水处理、生物修复、生物传感器、化学合成(见,例如,8,9]。人们普遍认为,使用各种各样的电子受体主要是通过电子传递蛋白(如multihaemc型细胞色素)及其交互10- - - - - -12]。披露的电子转移机理Shewanella物种在不同的环境中,深海细菌Shewanella piezotoleransWP3 (美国piezotoleransWP3)被选中在目前的工作,因为它被认为是一个适合学习的适应性Shewanella物种的各种环境条件(低温、高压等)(13- - - - - -15]。因此,我们综合表达数据和分子网络这种细菌在各种环境条件下构建condition-specific分子网络,确定了网络的关键基因和功能模块,最后研究了他们的角色在电子传递过程(图1)。这些结果将对电子转移基因筛选有重要意义和理解不同的电子转移过程,以应对各种环境条件Shewanella物种。
2。材料和方法
2.1。基因表达数据
研究的电子转移过程美国piezotoleransWP3在各种条件下,我们搜查了美国piezotoleransWP3地理(基因表达综合)数据库(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/)[16),获得四种时间序列表达的数据集美国piezotoleransWP3野生型菌株在冷休克(GSE82259),热休克(GSE82264),高压(GSE82267)和盐冲击(GSE82254) [17,18]。这些数据集包含表达分析美国piezotoleransWP3 30分钟、60分钟、90分钟在实验的冲击下,微分表达式可用于后续的分析。
2.2。差异表达基因
与微分表达式的两组之间的比较实验,比较研究从多组数据应该提供一个更好的理解的微分表达式(19]。因此,比较研究的多个组(三组数据与6复制所有条件)被认为是在这个研究。网络工具GEO2R (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/geo2r/)[16)是用来比较这些多组数据集来确定差异表达基因在这些条件下(度)。GEO2R被使用的默认参数 和罗斯福(错误发现率)< 0.05被用作截止值。
2.3。PPI网络的建设
因为细胞内蛋白质不独立运行,但通常与其他蛋白质形成复合物,也就是说,质子泵抑制剂(PPI)蛋白质相互作用网络,存储在字符串(https://string-db.org/)[20.被用于PPI网络的建设。我们第一次下载完整的交互信息美国piezotoleransWP3,提高交互的可靠性,我们提取的高信心交互(combined_score≥0.7,所显示字符串)来构造背景PPI网络美国piezotoleransWP3。Condition-specific网络相结合可以进一步得到了此背景下差异表达节点(即网络。编码的蛋白质的度)。
2.4。基于网络的方法
一般来说,复杂网络方法可以用于分析生物分子网络的结构属性和功能。mba集中分析用于研究网络中的每个蛋白质的重要性,重点是这些网络十大关键蛋白质,因为蛋白质通常与其他蛋白质形成复合物,执行特定的功能,和ClusterONE方法已被证明是非常有效的识别蛋白复合物(21]。因此,我们使用这个方法来识别这些网络的功能模块。有几个用户友好的实现方法(http://www.paccanarolab.org/cluster-one/),我们使用了Cytoscape插件“ClusterONE”执行功能模块分析。的最小大小被设置为4, 是用作截止值。
2.5。富集分析
可以常用的提取浓缩分析生物信息从一个给定的基因/蛋白组(22]。这里,使用字符串浓缩功能富集分析应用程序通过Cytoscape工具包(https://cytoscape.org/)[23),浓缩罗斯福截止也设置为0.05。此外,我们选择最具代表性的KEGG通路的结果列表(即。,the lowest FDR), and if there were no enriched KEGG pathways, InterPro enrichment was used instead.
3所示。结果与讨论
3.1。的识别度,负责各种环境条件
我们第一次使用GEO2R识别度在各种环境下,和整个763年,1635年,1039年和1130年独特的度参与冷冲击,热休克,高压,分别和盐冲击条件。因为蛋白质需要交互执行他们的功能,我们构造相应的PPI网络的蛋白质编码这些度。随后,考虑到富集分析可用于提取生物见解从一个给定的基因/蛋白质组,我们第一次执行KEGG通路富集分析,揭示了生物功能和最大的差异在这些PPI网络连接组件。
总的来说,44岁,54岁,36岁和16 KEGG通路富集在上述条件下,分别。如图2,最常见的强化途径在这些环境包括代谢相关(例如,代谢途径、次生代谢产物的生物合成和微生物代谢在不同环境)和蛋白质翻译相关(例如,生物合成的氨基酸,核糖体,氨酰生物合成,和蛋白质出口)途径,表明代谢主要适应不断变化的环境条件(冷冲击、热休克、高压力,和盐冲击),,因此,美国piezotoleransWP3需要产生新的蛋白质,适应这些环境。这些结果与以前的研究在其他良好的协议Shewanella物种(见,例如,24,25])。
另一方面,除了这些常见的强化途径,一些途径呈现巨大差异在三个条件(没有独特的浓缩盐冲击条件下路径;参见图2)。首先,最大的区别是来自热休克状态,还有12丰富通路完全呈现在这个条件下,表明美国piezotoleransWP3更敏感比其他冲击检测热休克。这一点很赞同这一事实美国piezotoleransWP3孤立于西太平洋沉积物的深度∼1914 (15),最引人注目的是低温环境特性,高压力,高盐,但温度不高。第二,有6通道完全呈现在冷冲击条件下,包括谷胱甘肽代谢(罗斯福:1.35E−05),磷酸肌醇代谢(罗斯福:8.54E−03),beta-alanine新陈代谢(罗斯福:1.62E−02),戊糖和葡萄糖醛酸酯互变现象(罗斯福:2.29E−02),赖氨酸生物合成(罗斯福:2.78E−02)、果糖和甘露糖代谢(罗斯福:4.58E−02)。第三,只有一个途径(降解芳香族化合物,罗斯福:2.86E−02)是专门在高压条件下提出的。由于微生物需要产生不同的蛋白质来应对不断变化的环境条件,这些专门浓缩通路和相关蛋白质有助于理解各种环境条件下的不同的代谢过程美国piezotoleransWP3。
3.2。PPI网络的建设中所涉及的各种环境条件
人们普遍认为,全球蛋白质网络定义的集体功能细胞。相比之下,condition-specific PPI网络含有大量丰富的交互流程相关的特定条件,从而可能更相关的描述特定的生物过程,如识别蛋白复合物或刺激反应过程(26,27]。
构建所涉及的PPI网络在各种环境中,我们首次发现condition-specific蛋白质编码基因在这些条件下利用文氏图。如图3、167、647、330和428独特的度参与上述环境,分别。这些基因集被用来构造condition-specific PPI网络背景PPI网络的美国piezotoleransWP3。
结果,尽管有许多孤立的蛋白质网络,每个网络包含许多相互作用形成几个相互联系的部分。数字上来说,所有的这些condition-specific网络互动明显多于预计(PPI浓缩值是1.66E−2,7.21E−4 2.74E9.96 - 2,E−3,分别)。蛋白质主要通过交互执行生物功能以来,人们普遍认为中心(即。与高度值)、蛋白质PPI网络更重要。为此,我们使用价值程度等级的蛋白质网络的重要性,从而确定了在每个网络(表10大关键蛋白质1)。如表所示1,这些关键蛋白大多与电子传递过程美国piezotoleransWP3在各种环境条件下(除了热休克状态;见下文)。
首先,冷冲击下的十大关键蛋白质主要是与鞭毛蛋白,包括鞭毛合成σ因子(swp_5124),鞭毛基体杆蛋白质(swp_5105 swp_5110),鞭毛基体唐森蛋白质(swp_1504 swp_5111),鞭毛hook-associated蛋白质FlgL (swp_1508)和鞭毛腺苷三磷酸酶FliI / YscN (swp_5095)。鞭毛操纵子的转录的研究建议大肠杆菌在应对冷休克诱导(28];此外,蛋白质组学研究表明,鞭毛生物合成和活性蛋白冷冲击下呈现显著变化(29日]。因此,关键的蛋白质美国piezotoleransWP3冷冲击下大多是鞭毛蛋白,都是意料中的。此外,电子传递和厌氧氧化之间的相关性鞭毛组装的大肠杆菌据报道很久以前(30.),更重要的是,来自不同群体的最近的一些实验研究显示,鞭毛蛋白参与了电子转移的活动核废料旁边sulfurreducens和Shewanella oneidensis(例如,(31日- - - - - -33),提高猜测鞭毛蛋白可能也参与了电子转移的活动美国piezotoleransWP3。
第二,高压下的十大关键蛋白质还包括几个鞭毛蛋白,如鞭毛蛋白生物合成(swp_1531)和双鞭毛马达开关蛋白(swp_1521 swp_1527)。电动机开关蛋白已被证明是直接相关的一些energy-linked酶,从而导致较高的ATP合成、ATP水解和电子传递34]。其他重要的蛋白质在这种环境下也电子transfer-related,包括flavocytochromec(swp_4352)和黄素蛋白(swp_0430),这对周质的延胡索酸酯还原酶同源蛋白质FccA身份(63%)和对苯二酚:延胡索酸盐还原酶FAD-binding亚基FrdA身份(88%)Shewanella oneidensis分别MR-1。甲酸脱氢酶亚基swp_4312和swp_2139同源蛋白质molybdopterin-binding氧化还原酶(SO_0988, 67%的身份)和甲酸脱氢酶细胞色素b亚基FdhC身份(47%)Shewanella oneidensisMR-1。这些蛋白质的电子转移过程中发挥重要作用Shewanella oneidensisMR-1 [35]。例如,周质的延胡索酸盐还原酶FccA能促进周质的电子转移过程快速瞬态相互作用[36]。
第三,最重要的蛋白质中列出的十大关键蛋白质盐冲击下几种mannose-sensitive血凝素-(矿山)相关的蛋白质,包括矿山菌毛蛋白蛋白质(swp_0495)和矿山生源论蛋白质(swp_0501 swp_0486),已被证明是参与电子传递过程Shewanella oneidensisMR-1 [37]。其他值得注意的蛋白质是Cbb3型细胞色素氧化酶(氧化酶亚基swp_4145和细胞色素c亚基swp_4144)同源蛋白质Cbb3型细胞色素c氧化酶亚基CcoN和Cbb3型细胞色素c氧化酶亚基CcoO从Shewanella oneidensisMR-1。这些蛋白质以前被证明参与电子转移在不同的生物体(38),这使得电子转移研究swp_4145和swp_4144可能的候选人美国piezotoleransWP3。
最后,十大关键蛋白质热休克条件下主要是代谢相关,包括谷氨酸合酶亚基(swp_3803),丙酮酸激酶2 (swp_2388)、草酰乙酸脱羧酶(swp_1379),多功能脂肪酸氧化复杂的亚基(swp_3139) 2-isopropylmalate合成酶(swp_2213) isopropylmalate异构酶小亚基(swp_2216) chorismate变位酶(swp_3758), Na+运输methylmalonyl-CoA /草酰乙酸脱羧酶亚基(swp_1380)、钠泵脱羧酶亚基(swp_1378)和苹果酸脱氢酶(swp_0481)。这些结果与先前KEGG浓缩结果一致,表明细胞代谢发生巨大的变化(从本国的生活环境)下热休克状态。这些代谢蛋白可能有助于识别哪些形式的代谢热休克反应更重要。
3.3。重要功能模块的各种环境条件
识别这些condition-specific网络背后的功能模块,从而揭示的机制美国piezotoleransWP3用来应对环境变化,我们使用ClusterONE算法来分析这些网络和获得6日13日10日和5从上述网络功能模块,分别。然后我们进行浓缩为这些功能模块分析揭示其潜在的功能(见表2- - - - - -5)。
首先,我们感兴趣的是,不同的鞭毛组装模块出现在三个条件(表2- - - - - -5;图4)。正如我们讨论的部分3.2,鞭毛assembly-related蛋白质是冷休克和高压条件下十分关注的。尽管鞭毛assembly-related蛋白质并不关键蛋白质热休克条件下,这里的鞭毛组装模块识别表明,在这种情况下这些蛋白质也应该是重要的。如前所述,鞭毛是重要的生物膜的形成,能源生产和电子转移。蛋白质的研究结果进一步说明,鞭毛组装系统,事实上,形成互动鞭毛组装模块来实现他们的目的。尽管他们扮演重要的角色在不同的环境中,细菌可以使用不同的鞭毛组装模块在不同环境下,说明多元化鞭毛系统需要在多样化的环境。此外,鞭毛冷冲击下组装模块包含一个重要的极性鞭毛基因(swpt_1508)和鞭毛组装模块包含一个横向高压下鞭毛基因(swp_3616)。这些结果与事实一致美国piezotoleransWP3可以表达一个极性鞭毛和多个横向鞭毛系统区别特征(39],这可以部分解释这些系统的表达是不同的监管在低温、高压条件下(40]。
(一)
(b)
(c)
此外,由于使用各种电子受体是最重要的特征Shewanella物种,我们专注于电子转移过程,我们发现了几个电子transfer-relevant模块在各种环境条件(图5)。
(一)
(b)
(c)
(d)
首先,我们确定了钼辅因子生物合成模块冷休克条件下(图5(一个)),这可能与一些cofactor-included钼酶(如sulfurase)可以用来调节冷逆境应答基因表达(41]。此外,钼辅因子也被证明是一个氧化还原活性辅基,这是一个许多酶的重要组成部分,促进电子转移,如dithiolene复合物(42),醛氧化还原酶(43),二甲基硫醚脱氢酶(44]。
第二,multihaem细胞色素模块被热休克条件下(图5 (b))。Multihaem细胞色素是主要的电子传递蛋白Shewanella物种。这些蛋白质通常包含几个紧密排列的血红素辅因子,可调节快速、远距离电子转移之间的可逆变化减少和氧化状态血红素铁原子的代数余子式(10,12]。通常,通过周质内膜和外膜细胞外空间,他们可以形成电子传递途径11]。最近,我们还发现了一个multihaem细胞色素模块Shewanella oneidensisMR-1下改变啊2条件(25]。因此,multihaem细胞色素的模块美国piezotoleransWP3发现这里也应该是这种情况下负责电子转移过程。此外,亚硝酸还原酶(细胞色素c552年)swp_0613 swp_3403可以促进亚硝酸盐的还原氨。硝酸盐和亚硝酸盐的还原冲击加热nonreducing条件下供应减少氮、氨基酸和核酸的必要条件,因此生命的起源在这种情况下(45]。
第三,一个NrfD家庭模块被发现在高压条件下(图5 (c)),包括formate-dependent亚硝酸还原酶NrfGCD (swp_4654∼swp_4652)和聚硫还原酶NrfD (swp_1240)。周质的亚硝酸还原酶Nrf从其他细胞色素可以获得电子c分子位于内膜,然后使用它们来减少亚硝酸盐等可溶性物质,这一过程已经被广泛研究Shewanella oneidensisMR-1 [46]。聚硫还原酶NrfD也可以用来转移电子醌池。
最后,我们确定了细胞色素c氧化酶模块盐冲击条件下(图5 (d))。该模块主要包含两个cbb3型细胞色素c氧化酶亚基(swp_4145∼swp_4144)和一个类我细胞色素c亚基(swp_4143),同源CcoN, CcoO, CcoPShewanella oneidensis分别MR-1。考虑到罗经航向家庭的蛋白质在有氧和无氧呼吸中发挥着关键作用Shewanella oneidensisMR-1,他们也被证明参与代电流(38),细胞色素c氧化酶模块从而也认为是这些过程有关美国piezotoleransWP3。
4所示。结论
目前,构建网络模型,然后利用模块组基因/蛋白质检测方法是最常见的一个公司的方法表达数据研究[47]。然而,网络一般不断的变化在不同的环境条件,如温度和压力不同。condition-specific甚至动态分子网络的研究(及其功能模块)已成为生物信息学研究的一个重要主题(6,7]。
探索的电子转移机理Shewanella物种在不同的环境中,我们综合multiexpression数据和构建condition-specific分子网络美国piezotoleransWP3。然后我们确定电子转移的关键基因和分析功能模块,这两个建议鞭毛蛋白是重要的在这些条件下。最后,我们讨论了condition-specific电子transfer-relevant模块在各种环境条件下。进一步的试验研究,例如呼吸能力的影响通过鞭毛基因缺失突变体的细胞,需要验证鞭毛蛋白的假定的角色美国piezotoleransWP3。
数据可用性
内的所有相关数据。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项工作是由江西教育部门的科学和技术基础(GJJ180852和GJJ201605)。