功能性滥交的同系物细菌ArsA atp酶

文摘

ArsA atp酶的大肠杆菌中扮演着重要的角色在砷解毒。通电的证据牵连到ArsA发布(3)流出通过与ArsB oxyanion-translocating复杂的形成。此外,真核ArsA同系物有几个公认的功能与砷抗性无关。通过调整ArsA同系物,构建系统发育树,检查ArsA编码操纵子,估计可能的共同进化的同系物和假定的转运蛋白和辅助蛋白与ArsB无关,我们提供的证据为新功能ArsA同系物。他们可能扮演的角色的碳饥饿、天然气泡生源论,和砷的阻力。结果导致提议ArsA同系物激励四个不同nonhomologous运输车,ArsB, ArsP CstA, Acr3。

1。介绍

砷剂种类对所有生物的威胁。砷酸无机砷的两个主要国家(如(V))和亚砷酸盐(如(3))。(V)扰乱细胞能源机械磷酸作为模拟、解偶联能源生产。更多的有毒(III)结合巯基半胱氨酸残基,并能灭活组蛋白(1]。各种各样的防御已经进化对砷的毒性。质粒和chromosome-borne农业研究所操纵子基因编码包括arsA,B,- c,D,H,我,P,R。

arsC编码的砷酸盐还原酶转移电子(V),减少(III),射流泵底物(2]。ArsD metallochaperone,扣押亚砷酸盐和亚锑酸盐,而且转移到ArsA腺苷三磷酸酶明显增加亲和力的ArsA基质浓度和降低自由(III)和某人(III)胞质(3]。ArsH,有关NADPH-dependent FMN还原酶,与砷抗性,但其精确的生化功能目前还不清楚(4]。arsP编码一个假定的跨膜透性酶可能发挥不明确的作用抗砷在某些生物(5]。

ArsB是12螺旋跨膜生成(TMS)泵挤压(III)和某人(III) [6]。运输通过ArsB可以精力充沛及或形成一个oxyanion-translocating复杂催化ArsA单元,耦合ATP水解流出(7]。的特征大肠杆菌ArsA, 583 -氨基酸(aa) atp酶,是由两个同源域,A1和A2,加入了一个灵活的连接器。A1和A2无疑是一个串联基因内的产品重复事件。(III)和某人(III)形成共价键在A1和A2的金属结合位点,一起把两个域(8]。ArsA变构由亚砷酸盐和亚锑酸盐绑定激活,导致每个同源的核苷酸结合域(nbd)一半一起绑定和水解ATP。损失的域导致ArsA失去催化作用[9]。原核ArsA被广为研究;然而最近调查的真核ArsA同系物,ASNA-1 (TRC40)和Arr4p,为这个家庭提供各种新角色的蛋白质(10- - - - - -15]。

先前的研究已经表明,atp酶激活大分子分泌可以发现各种出口在进化上是截然不同的系统。例如,家庭的atp酶激活细菌接合(DNA的转移从一个男性女性接受捐赠者)也可以见于多种其他分泌系统。除了激励接合通过IV型分泌系统,或其组装,这些atp酶可以在蛋白质毒素分泌功能,细菌菌毛生物起源,II型蛋白质分泌,和古细菌鞭毛生源论。这些事实揭示了滥交的腺苷三磷酸酶劲量随时间进化的终极功能角色(16]。功能混乱的另一个例子可以找到ABC总科,个受体可以与多个转运蛋白和一个运输机可以利用多个受体,从而扩大底物特异性(见ABC总科;TC没有。3. a.1.1-34运输车分类数据库,http://www.tcdb.org/)。因此,“进化是一个修补匠,鹅卵石一起从旧的新功能,和基因组是一种本部分可回收元素”(p . z Meyers)。

最近,研究和建立我们自己的分析促使进一步审查ArsA原核生物无特征的角色。我们使用种子,进行了生物信息学分析显示,不同arsA同系物往往与基因相关气体泡生源论和碳饥饿。碳饥饿基因(cstA)通常是与一个“辅助”的基因cstX,有时在古生菌cstY。arsA缺乏的同系物通常出现在操纵子arsB但包含acr3,一个基因编码一个截然不同的进化(III)外排泵17]。我们包括系统发育分析ArsA ArsB Acr3, ArsP、CstA, ArsA, CstX和CstY,证明一些,但显然不是其他人的协同进化。我们确定新的农业研究所操纵子因素编码CcdA、硫氧还蛋白和二硫化redox-active蛋白质2同系物。最后,我们调查的程度arsP同系物在原核一起操纵子编码arsA同系物。我们的研究结果表明,ArsA扮演的角色除了那些以前认为的。

2。材料和方法

2.1。种系发生树结构

TCDB [18- - - - - -20.]ArsA查询序列中使用默认截止PSI-BLAST [21]NCBI蛋白质数据库的搜索来确定同系物。这些被使用的筛选(22截止去除冗余90%,接近序列,断断续续的序列。CLUSTAL X程序(23)被用来创建多个同系物保留序列的比对和树状视图24)被用来绘制系统发育树来自CLUSTALX对齐。16和18 s rRNA从NCBI获得的序列。

2.2。总科的分析

总科树项目SFT1 [22)的进化关系提供ArsA其他使用neighbor-joining方法同系物。代表蛋白质为每个家庭选择在NCBI BLASTP搜索序列与身份和30% - -50%值小于。使用ProtPars这些相同的序列进行了分析,利用吝啬的方法来预测蛋白质的关系(25]。

2.3。经颅磁刺激的预测

预测经颅磁刺激,什么程序26)被用来绘制水疗法,AveHAS程序(27)被用来获得平均水疗法,amphipathicity,相似的情节。这些更新程序默认使用滑动窗口的19残留。

2.4。种子分析

与种子基因组上下文分析比较基因组学数据库(28,29日]。这个数据库可以在找到http://theseed.uchicago.edu/FIG/SubsysEditor.cgi?page=ShowSpreadsheet&subsystem=CstA_Experiment和http://theseed.uchicago.edu/FIG/SubsysEditor.cgi?page=ShowSpreadsheet&subsystem=Arsenic_and_Antimonite_Resistance。蛋白质被排除在这些分析如果不代表在种子数据库中,或者如果他们发生农业研究所操纵子的频率较低。其中包括氧化还原蛋白质的未知函数和潜在的修改acetyl-transferases等酶。操纵子是描述基于种子预测。蛋白质的假定的功能被操纵子预测上下文分析包括基于coregulated基因的功能分配。研究蛋白质之间的共同进化,我们使用种子选择对蛋白质编码在相同的操纵子。

2.5。MEME的分析

MEME的程序(30.默认设置),被用来寻找ungapped守恒的残渣图案与ArsA同系物,我们确定使用PSI-BLAST作为训练集。

3所示。结果

3.1。ArsA的发展史和ArsA基因关联

使用大肠杆菌ArsA作为查询序列,PSI-BLAST NCBI蛋白质数据库的搜索筛选使用的同系物(22截止去除冗余90%,接近序列,断断续续的序列。这些表列出同系物1。CLUSTAL X程序(23)是用于创建多个对齐,TREEVIEW [24)是用来绘制系谱树(图1)。树被分为18个集群。这些蛋白质可以在表中找到1,首先,根据集群数量,其次,根据他们的立场在集群中。

识别潜在的每个集群功能的蛋白质,我们使用种子进行基因组上下文分析生物种子基因组数据库中。基于关联的模式的基因在每个集群,我们已经识别出各种之间的连接arsA之前同系化合物和其他不相关的基因。

集群1是由55个细菌和古细菌ArsA同系物,包括良好的吗大肠杆菌ArsA蛋白质,平均大小为589原子吸收光谱法。24集群1蛋白质的种子,19中编码包含同系物的操纵子arsB,acr3和/或arsP。剩下的五个,四个旁边arsD同系物,三个位于操纵子arsR同系物,三arsB,acr3,或arsP同系物的基因组。协会的高度arsA同系物在集群1与其他农业研究所操纵子决定因素和大小与这些蛋白质之间的相似之处大肠杆菌ArsA显示,大多数集群1蛋白质作为劲量相当于大肠杆菌ArsA蛋白质。

集群2由七个热点ArsA同系物。种子分析这六个成员的集群中种子数据库。的上下文中,没有发现任何的典型农业研究所操纵子基因,但四人acr3或arsP同系物的基因组。紧密的聚类蛋白质,Mja Mma2 Mae2,是三个的arsP基因在基因组的其他地方,虽然Msm1,聚类与其他三个蛋白质,分开了acr3和一个arsP其他地方的基因组。剩余的蛋白质编码基因,缺乏任何其他农业研究所转运蛋白基因。集群2 ArsA蛋白质是由单个ArsA域平均大小为337原子吸收光谱法。因此,如果他们功能催化地喜欢大肠杆菌ArsA蛋白质,他们必须使二聚。没有一致的模式相关的基因,集群的功能2 ArsA同系物仍然未知。

39真核ArsA同系物组成集群3平均大小为345原子吸收光谱法。种子是只适用于分析酿酒酵母基因组;然而,检查周围的地区arsA同系物没有识别功能相关的蛋白质。公布的证据确定这些蛋白质Arr4p和ASNA-1同系物。而Arr4p酿酒酵母是得到复杂的一员参与贩卖从高尔基体到ER和转译后的插入到ER (14),同系物(III)和涉及某人(III)电阻(15)、金属和耐热性13),监管Gef1p防止铜积累(12),和调节胰岛素分泌10]。基于这些结果,我们推测这些单一域ArsA同系物为生物功能的多样性,激励或调节各种运输过程。

集群4由八个细菌ArsA同系物。四个存在于种子。这些四个基因操纵子在一起gvpFGJKLMNOW编码的蛋白质参与的气泡生源论,以及热休克蛋白Hsp20 [31日]。这些四个基因存在于一个操纵子与其他农业研究所基因同系物,虽然acr3和arsP同系物位于其他地区三个基因组。集群4蛋白质的平均大小是637原子吸收光谱法,类似的大肠杆菌ArsA。这些观察结果表明,这两个域同系物可能函数激励的气泡生物起源的某些方面。

集群5包含十个真核ArsA同系物平均大小为401原子吸收光谱法。这些蛋白质的功能可能是类似于集群的功能,但没有阐明文学存在的角色ArsA同系物。

这两种细菌ArsA同系物集群6平均大小为645原子吸收光谱法。一粒种子分析显示,该基因编码Aba1但不是Mxa1与气体泡基因相关联。

集群7包含六个热点ArsA同系物平均大小为342原子吸收光谱法。三种蛋白质从这个数据库集群的种子。Nph1由基因编码出现在碳饥饿诱导的操纵子基因,cstA和cstX。另外两个同系物是不相关的基因提供线索的功能。

集群8日至13日所有由单一域蛋白质平均大小为396,389,410,424,361,和292年,分别。四个代表六个集群中种子,在每一个这样的情况下,基因的内容进行了分析。在任何情况下这些分析提供线索的功能。在一些情况下,acr3和arsP基因被发现在基因组的其他地方,但不是在靠近基因编码ArsA同系物。因此,在这些集群,我们无法提供功能预测。

集群14包含六个热点ArsA同系物平均大小为327原子吸收光谱法。三种种子。三个都在操纵子编码CstA同系物,单一经颅磁刺激(90 aas) CstX和一个经颅磁刺激(CstY 210原子吸收光谱法)。没有发现在操纵子农业研究所操纵子因素。基于集群所观察到的7和14 - 18,ArsA同系物CstA和相关CstX往往单一atp酶域的大小330原子吸收光谱法。证据表明,这个集群功能蛋白与CstA CstX, CstY。虽然CstA是公认的运输车,CstX CstY可能辅助单元(32- - - - - -34]。可能通过CstA ArsA同系物给运输,从而影响碳饥饿反应。

四种细菌和古细菌ArsA同系物集群15平均大小为336原子吸收光谱法。所有四个编码与CstA和CstX操纵子。这两个双ArsA同系物是相邻的两种生物的基因序列身份票面的31%和25%序列标识为某事。上下文和大小的蛋白质在这个集群表明他们功能与CstA CstX(但不是CstY)同系物。

的三个细菌ArsA同系物集群16,两个种子。一个是编码在一个操纵子包含CstA CstX,但没有找到其他的功能显著的基因。的平均大小的三个ArsA同系物,306原子吸收光谱法,一个ArsA编码基因的背景下显示,这个集群是由蛋白质的功能与CstA和CstX碳饥饿反应。

有12个细菌和古细菌arsA同系物在集群17平均蛋白质的大小326原子吸收光谱法。9在种子。所有位于基因簇编码CstA和CstX。有趣的是,一个ArsA-like蛋白质长426原子吸收光谱法。额外的残留物,n端,显示没有序列相似性在NCBI数据库中。上下文和平均尺寸编码这些蛋白的基因表明,该集群,集群16、CstA和CstX功能。

集群18由七个细菌ArsA同系物平均大小为336原子吸收光谱法。中发现的4个种子,都是由基因编码编码CstA和CstX的操纵子。

因此,集群在14到18岁,可能7(基于一个例子)所有可能涉及碳饥饿反应,功能结合CstA, CstX, CstY集群14。

3.2。CstA蛋白质协会

使用种子,我们已经确定了26个实例在细菌和古生菌CstA有关ArsA同系物。24这些实例CstX与CstA发现,但它是一个细菌,一个archaeon失踪。没有CstA CstX从来就不是礼物。集群中的五古生菌分析也有CstY编码帐目ArsA、CstA, CstX同系物。我们建议CstA功能连同ArsA和CstX同系物。可能CstX夫妇CstA-catalyzed运输ArsA-dependent ATP水解为其他运输系统演示29日]。重要的是要注意,这些操纵子不包含一个arsR因此不可能由通常的机制以应对亚砷酸盐的浓度。

系统发育树的生成CstA、CstX CstY, ArsA同系物发生一起在相同的操纵子。树木CstA和ArsA同系物在图所示2(一个)和2 (b)分别为CstA和CstX同系物的人物2 (c)和2 (d)分别和ArsA CstX同系物的人物2 (e)和2 (f),分别。比较数据2(一个)和2 (b)内,我们看到集群模式对应的实验误差。因此,集群1和2分支更紧密地互相比其他分支。这些和所有剩余集群有相同的蛋白质成分的两棵树。大多数这些集群分支从这些树的中心附近的点,在图尤为明显2 (b)。有趣的是,CstA树显示紧缩比观察ArsA树聚类。此外,在蛋白集群five-protein集群3和4,树分支模式是相同的。因此,我们得出结论,这两个家庭的蛋白质共同进化。

比较CstX系谱树(图2 (d)CstA(图)2 (c)),我们看到几乎所有的蛋白质显示优秀的通信的两棵树。例如,两树的底部,我们发现相同的聚类模式的两种蛋白质,除了每个有机体具有单个CstA,但在两种情况下,有两个paralogous CstX蛋白质,Par11 Par12, Tko11 Tko12。在这两种情况下,看来这部小说paralogue兴起相对较早。有趣的是,与Pab1和Sma1 Tko12展现惊人的相似,而Tko11没有这样的关闭直接同源(见图2 (d))。两棵树的上半部分同样显示集群模式很大程度上符合共同进化。然而,有一些潜在的不一致。Bli1 Kse1图结合在一起2 (c),但不是在图2 (d)。这观察是反常的,因为在所有其他subclusters所示这两个树,蛋白质显示短分支长度在图2 (d)相比那些在图2 (c)。此外,Wsu1源于图的中心2 (d)树但集群更紧密地与树在图的上半部分2 (c)。因此我们得出这样的结论:CstA和CstX并行进化只有两个潜在的例外。与共同进化的结果是一致的,因此余函数,可能涉及到直接的交互。

比较CstX系统发育树(图2 (f))与ArsA(图2 (e)),我们看到几乎所有的蛋白质在一个树对应的位置与另一个树。看来ArsA在序列分化速度高于CstX,占更大的分支长度在ArsA树(图2 (e))。潜在异常时观察到的数据2 (e)和2 (f)比较或当数据吗2 (c)和2 (d)进行了比较。因此,我们观察到相同的异常的反演Wsu1 Bli1以及集群的Kse1 Bli1图2 (e)但不是图2 (f)。之间的对应关系的数据2(一个)和2 (b)被证明是比之间的数字2 (c)和2 (d)或数据2 (e)和2 (f)。我们建议CstX同系物可能与ArsA和CstA同系物,可能是因为CstX作为另外两个蛋白质之间的链接。

额外的蛋白质在操纵子的五个古菌是CstY蛋白质。CstY树显示分支模式几乎相同的CstA树。四个五个操纵子包括arsA基因,除了ArsA的缺席Hyperthermus butylicusDSM 5456年,我们看到CstY似乎也与CstA和ArsA共同进化。就像时尚,CstY似乎与CstX除了重复协同进化Thermococcus kodakarensisKOD1(数据没有显示)。

3.3。天然气泡生源论蛋白质

几个ArsA同系物是集群内编码基因关心的气泡生源论。这些基因簇中确定四个不同的类群。两种生物从拟杆菌/ Chlorobi类群,Polaribacter irgensii23便士,暗网菌属luteolumDSM 273拥有基因集群的地方arsA同系物与以下基因:gvpNLFGJKM和hsp20。虽然从上面的生物基因在两个集群是相同的,五个和四个paralogous的副本l和F基因(35),和两个和四个的副本米基因存在于这两个集群,分别。最接近这些集群的集群-Proteobacterium,核废料旁边uraniireducensRf4。这个集群与其他两个的不同之处在于,有paralogues的l/F基因,两paralogues米基因和一个额外的基因O基因。蓝藻集群为代表项圈藻variablis写明ATCC 29413和念珠藻属sp。7120年PCC,也像,发现前面描述的生物体中,除了l/F基因存在于单一的副本,米和hsp20基因是缺乏,额外的基因,W基因,。最后,在acidobacterial门arsA同系物是伴随着的两个副本l/F基因和每一个副本J,K,米基因。

很少有人了解基因参与的气泡生源论。然而,上述基因都是可溶性蛋白除了GvpG和GvpM,每个只有一个经颅磁刺激。GvpG约126 aas,氨基端经颅磁刺激,虽然GvpM,约100原子吸收光谱法,有其经颅磁刺激中央位置。GvpN的腺苷三磷酸酶AAA +总科沃克,沃克和主题。这种蛋白质被报道增加天然气的生产囊泡(36]。GvpL / F已报告是成核蛋白质,齐聚反应的功能蛋白质复合体(31日]。GlpW蛋白228 (aas)是远亲GvpL / F蛋白。最后,爆炸的搜索显示GvpK同系物中,,158原子吸收光谱法,具有c端域与天门冬氨酰亲核试剂Haloacid Dehalogenase域。类似于碳饥饿操纵子,气体泡操纵子不包含arsR。

3.4。ArsB蛋白质协会

ArsA和ArsB(数字的系统发育树3(一个)和3 (b)在操纵子resp)。包括蛋白质编码,包括同系物。这两个树显示几乎相同的集群模式。因此,在这两种树木,有三个主要的分支,并在每个集群可以找到相应的蛋白质。从其他人的Npu1同系物分支冷淡地,而沙和9月蛋白质集群紧密联系在一起。有两个沙paralogues ArsB树,表明最近的基因重复事件只有这两个蛋白发生为ArsA ArsB但不是。考试的操纵子编码这些paralogues透露,不仅重复包含arsB基因也是相邻的arsR和arsC基因的侧面arsB。类似的基因间的间距是观察到的两个重复的DNA片段。最后,在最后一个集群,我们再次看到信件中的两棵树。阴是远离其他蛋白质时,Spu她orthologues集群紧密在一起一样日元和生态的蛋白质。ArsB蛋白在第三集群更紧密聚集比ArsA蛋白质,表明后者依次分化超过前者。

ArsA / ArsB对不编码在相同的操纵子被添加到蛋白质中表示数据3 (c)和3 (d)。检查数据(一)和(b)表明,Sha1-3E和Sep1-2E ArsB paralogues可能与协同进化ArsA同系物。然而,这两个ArsB同系物明显比另外两个更发散依次paralogues在这个有机体,Sha1-1 Sha1-2。因此,我们建议这两个ArsB同系物在序列分化比paralogues更快。我们同样检查ArsB同系物Yen1-2E Spu1-2E。与获得的结果与Sha1-3E Sep1-2E,这些paralogues似乎出现了由最近的基因重复事件,按顺序和这些paralogues已经背离了比其他人更快。可能这些ArsB同系物是功能齐全,两组ArsA paralogues可以精力充沛的蛋白质。没有其他的蛋白质数据(一)和(b)似乎协同进化;(见图(一)和(b)在网上补充材料http://dx.doi.org/10.1155/2010/187373)。

3.5。Acr3蛋白质协会

通过分析耐砷和辉锑矿种子子系统电子表格,我们确定了33在28个细菌和古菌的实例农业研究所操纵子包含一个arsA缺乏一个同系物的基因组arsB同系物。我们还发现在20细菌23实例arsA位于一个操纵子基因编码Acr3但不是ArsB,和9实例在9细菌acr3在操纵子一样arsA,但arsB和arsP是基因组中。这些数据表明一些ArsA从集群5月1日函数与Acr3同系物,唯一的操纵子中其他泵的特点,作为一个atp酶活力(III)射流泵。这些分析表明这些ArsA同系物可能功能独立于他们的角色在ArsAB复杂易位。

树木ArsA和Acr3蛋白质包括在相同的操纵子是派生的如上所述(数字3 (c)和3 (d)、职责)。然而,在上述两个例子相比,似乎很少有这两棵树之间的通信。唯一Ahy1之间常见的聚类模式观察,Psy1,集群和Ppr1同样Bth1一样,Bth2, Bvu1。然而,这就是常见的聚类模式。在图3 (c),我们发现前集群松散与蛋白质7到11,而在图3 (d)集群,这些蛋白质与蛋白质4、5和7。此外,蛋白质8、9、10和蛋白质一起在图6和图73 (c)集群,但是他们有20、21和22在图3 (d)。进一步检查这两个树的显示,没有额外的相似之处,显然证明这两组的蛋白质没有共同进化。这个发现是,这些蛋白质的含义不功能结合在一起,或他们的协会不依赖于严格的蛋白质相互作用。应该注意,缺乏共同进化的蛋白质,身体上的相互作用,形成一个功能复杂的罕见但已经观察到32- - - - - -34]。

当检查acr3和arsA双(图(c)和(d)),地图分别在相同的基因组,我们发现很少有系统相关性的共同进化的说明。然而,几个例子的晚期基因重复检测两paralogues显示高程度的序列的身份。ArsAs内部有两个例子,而在Acr3s三个这样的paralogous对被识别。

3.6。ArsP蛋白质协会

以前的研究已经指出的一个实例arsP在一个未知功能的基因农业研究所操纵子(5]。耐砷和辉锑矿子系统表格确认61实例,包括以前的特点arsP在52细菌和古生菌arsP被发现在一个农业研究所操纵子。我们的数据表明,基因编码ArsP同系化合物广泛分布于细菌和古生菌。此外,还有两个实例,一个热点和一个细菌,arsP在操纵子一样arsA在缺乏acr3或arsB,初步建议功能ArsA和ArsP之间的联系。有两种不同的类型的arsP,一个编码300 aa 8 TMS假定的,另一个编码400 aa 8 TMS假定的运输车100 aa亲水性第四和第五颅磁刺激之间的插入。没有线索的功能(s) ArsP同系物。

如上所述,我们构建的系统发育树ArsA(图3 (e))和ArsP(图3 (f)在操纵子)同系物共存。这两个树的比较表明,集群模式在实验误差但有一个例外是相同的。这个异常是指两个遥远的Ame paralogues ArsP树中而不是在ArsA树。扣除这paralogous安排,由于一个基因外重复事件,我们发现沙和Sep蛋白质集群(集群1)紧密在一起,Ahy,生态,集群和日圆蛋白质少(集群5)紧密在一起,而且分支树4集群与集群松散5。同样,集群1,2,3比他们是彼此密切相关的其他集群树。最后,分支6定位这两个主要集群在两树之间。结果表明,arsB操纵子中也含有同系物arsP同系物协同进化。ArsP,总的来说,ArsB、CstA CstX与不同的协同进化ArsA同系物,尽管Acr3没有(见部分4)。有趣的是,在集群1的ArsP同系物更远亲彼此比同系物在ArsA树中,但相反对于所有其他相应的双蛋白检查。

ArsA / ArsP对不确定编码在相同的操纵子所没有的一些生物体的基因组数据3 (e)和3 (f)。检查数据(e)和(f)表明Vfi1 ArsA和Vfi1E ArsP似乎共同进化,作为集群包括Dha1E也是如此,Dha2E, Aor1E。然而,Spu1E ArsP,在相同的集群Vha1和Vfi1E似乎并没有与Spu1协同进化ArsA。事实上,没有其他的对蛋白质数据(e)和(f)似乎已经协同进化。因此它似乎不太可能,这些蛋白质的功能。

3.7。ArsD蛋白质协会

ArsD蛋白是一种metallochaperone蛋白编码的多农业研究所操纵子ArsA编码。事实上,这两个基因是经常发现在这些操纵子彼此相邻。因此,我们进行了共同进化的分析这两个蛋白质如图(一)和(b)。大部分的25双蛋白显示出类似的集群模式,除了少数例外。例如,Bce1集群Cbo1、Cbe1和Aor1 ArsD树,而不是ArsA树。此外,Gur1集群和Aeh1 Bvi1 ArsA树中而不是在ArsD树。分支长度具有可比性的两棵树,虽然一些集群等两大集群的顶部和底部的树显示分支长度短的比ArsD ArsA同系物,表明ArsA不如ArsD序列发散。然而,这并不一致。另一个区别是在集群在ArsD树顶端,Psp1 Ahy1集群一起松散和Vfi1 Ppr1集群更紧密相连。相比之下,在ArsA树中,Psp1集群相当紧密与Vfi1 Ppr1更松散,而Ahy1 Asp1 / Rfe1集群和Vfi1之间发生。这些差异出现由实验误差太大。总之,看来ArsD和ArsA在大多数情况下协同进化,但这些蛋白质对显示差异的一个重要部分的水平基因转移或不均匀的序列差异。我们建议这些蛋白质并不总是共同进化。

3.8。ArsH蛋白质协会

只有四个arsA事实证明,种子包含操纵子arsH基因。当这些蛋白质的只有四双检查从系统的角度来看,它们没有显露任何信件。例如,Yen1和Kpn1 ArsH蛋白质聚集在一起,但相应的ArsA蛋白质ArsA树的两侧。虽然很少同系物可供分析,结果表明ArsA和ArsH没有共同进化。

3.9。ars操纵子编码CcdA、硫氧还蛋白和二硫化Redox-Active蛋白2

我们已经确定了三个新的农业研究所操纵子因素,CcdA、硫氧还蛋白和二硫化redox-active蛋白质2,编码假定的砷酸盐还原酶系统的组件。使用种子,我们找到了8例7生物这三个氧化还原基因存在的地方农业研究所操纵子。7 8的情况下,arsC基因是位于这些决定因素的操纵子。CcdA DsbD同系物,这可能促进电子转移从细胞质到周质(37]。然而,CcdA缺乏的thioredoxin-like域大肠杆菌DsbD,表明thioredoxin-like蛋白质中农业研究所操纵子可能电子CcdA捐款。二硫化redox-active蛋白2 thioredoxin-like守恒的领域,是一个二硫氧化还原酶。thioredoxin-like蛋白质和二硫化redox-active蛋白2无疑函数在氧化还原反应中,可能在thioredoxin-like蛋白质转移电子等价物thioredoxin-dependent ArsC还原反应(38]。

3.10。的ArsA总科

保守域搜索(CD-Search) NCBI蛋白质数据库的使用大肠杆菌ArsA查询序列提出各种ArsA-like atp酶与已知的关联。AAA +总科包括许多蛋白质不同的生理功能。描述AAA +总科的报告(39- - - - - -41]。我们的树检查AAA +总科的同系物ArsA ArsA最密切相关的大肠杆菌。基于NCBI保守域的描述,(1)与FleQ交互FleN-like atp酶调节活性。(2)对位酶茎菌属crescentus在染色体隔离功能;ADP结合时,蛋白质与DNA单链(ss),但当ATP必然,ParB分离其DNA结合位点。(3)CooC是一种蛋白质参与成熟镍中心的一氧化碳脱氢酶。(4)Fer4或NifH蛋白质利用ATP促进电子的转移到N₂减少或部分形式的N₂(HN = NH和H₂N-NH₂)。NifH(组件2)水解ATP,激励通过菲电子的转移₄- s₄集群中的其他单元固氮酶复杂。(5)思维是一个膜相关atp酶,调节MinC和我的,函数在细菌midcell隔的形成。(6)BchL-like和ChlL蛋白质催化还原脱植基叶绿素的形成。(7)一个MRP-like ArsA同族体可能是一个组件的Na⁺/小时⁺逆向转运复杂。(8)CbiA催化ATP-dependent酰胺化的各种hydrogenobyrinic侧链酸或cobyrinic酸,丙二酰胺合成的维生素B₁₂。(9)DnaC是DNA复制的蛋白质。(10)FlhG antiactivator FleN。(11)Soj atp酶参与染色体分区枯草芽孢杆菌在许多细菌同系物的相同的功能。(12)MipZ与染色体是一个atp酶组成一个复杂的分区ParB和调节FtsZ环的形成。(13)HslU的腺苷三磷酸酶组件HslUV ATP-regulated蛋白酶/伴侣复杂。

我们研究了各种ArsA之间的关系与CLUSTALX同系物(图4(一)(图),SuperfamilyTree1 (SFT1)4 (b)),和ProtPars(图4 (c))。CLUSTALX和SFT1利用neighbor-joining算法虽然ProtPars依赖吝啬。CLUSTALX ProtPars基地分支模式在多个对齐,但是SFT1使用爆炸一些分数(22]。几个模式出现在比较预测的进化途径采取这些家庭。在所有三棵树我们发现集群10 (Mrp)和11 (FlhG,和FleN-like)在一起,集群1 (HslU), 4 (CbiA)和5 (Fer4_NifH)在一起,和集群7 (Soj)和8 (ParA)在一起。集群9 (BchX ChlL、NifH Bch1-like), 10 (MRP), 11 (FlhG,和FleN-like), 12 (CooC)被发现在树和c .集群1 (HslU), 3 (DnaC), 4 (CbiA)和5 (Fer4_NifH)被发现在A和b树最后,集群12 (CooC)和13 (ArsA)被发现在A和b树这些结果提供的信息相对系统的距离为这些AAA + atp酶,从而表明其功能/机械的关系。

3.11。同源关系基于16 s与18 s rRNA发展史

核糖体RNA (rRNA)树(图5)生物包括在这项研究展示集群模式几乎与预期的不同类群分别分组。值得注意的是,一个代表-proteobacterial RNA集群松散的拟杆菌门同系物的大型集群proteobacterial RNA。

显示在表1集群的第1图4包括蛋白质来自于变形菌门和其他门,每个聚类在一起,但有许多例外。例如,Bth1(拟杆菌)得到了夹在中间同系物。按照以下顺序集中Gur1 (-Proteobacterium)、Bph1 (-Proteobacterium), Mma1和Rru1 (变形菌门)。此外,我们发现两种蛋白质从Verrucomicrobia和Planctomycetes分别集中与这些proteobacterial蛋白质。在一群proteobacterial蛋白质,我们找到一个同系物Chlorobi和三个从放线菌。Euryarchaeata蛋白质单独集群的集群1以及集群2。这些结果清楚地表明,已经有广泛的水平arsA在这些生物的进化基因转移。

集群3蛋白质是完全来自真核生物。然而,许多不同的类群。在顺时针方向发展,前两个蛋白质,哪一组在一起,来自Trichomonada物种。然后我们找一个集群的真菌蛋白两个根深蒂固的成员,Cal1 Sce1,可能的水平基因转移的例子。Tad1后生动物蛋白质,集群紧密一起four-plant蛋白质。这也似乎是水平基因转移的一个例子,因为所有其他后生动物蛋白质单独集群。剩余的蛋白质在集群3相对远亲,来自四个不同的类群。从每个门自蛋白质聚集在一起,它是合理的建议,这些都是继承了垂直降落。

集群4由蛋白质来自蓝藻有一个例外,一个-proteobacterial蛋白质。最后蓝藻蛋白质更远亲的蛋白质比。此外,蓝细菌的蛋白质和rRNA树协议。因此,结果符合orthology对于所有这些蛋白质。应该注意的是,基因组上下文分析表明,这些蛋白质与气泡生源论相关联。

集群5由专门的植物和藻类蛋白质。虽然大部分的证据表明orthology,应该注意拟南芥,葡萄属,玉蜀黍属都有两个paralogues,然而,它们之间不具有同源关系。似乎这些蛋白质出现超过一个基因重复事件。集群的6只包含两个远亲蛋白质从两个不同的类群,而集群7由古细菌蛋白质的系统发育关系与orthology一致。这些蛋白质可能在碳压力响应函数CstA一起。

集群8包括蛋白质从八个不同的细菌类群。此外,Chloroflexi和每个分为三个不同的subclusters Chlorobi蛋白质。这两个-proteobacterial蛋白质也是远亲。结果是一致的与水平基因转移或早期基因重复事件。

集群9从四个不同的细菌和古细菌类群包括蛋白质。这些显然不展览orthology,至于集群8,这个观察的基础还不清楚。从放线菌集群10只包含蛋白质,只有一个蛋白质来自任何一个属;结果是完全符合orthology(比较数据1和5)。集群11由只有四个蛋白质来自三个不同的类群。Orthology似乎不太可能。12和13每个集群包含两个远亲蛋白质从两个不同的类群。我们不愿预测orthology这些蛋白质。集群14由六个蛋白质组成。两个遥远的成员来自Crenarchaeota,和四个成员来自Euryarchaeota。结果与orthology一致。集群15由四个蛋白两个从古生菌和两个细菌。令人惊讶的是,每一个细菌蛋白质集群与古细菌的蛋白质,和系统发育的距离是相同的这两双。 The basis for these relationships is unknown, but horizontal transfer probably played a role.

集群16中的三种蛋白质表现出关系可能与orthology一致。集群17由12个蛋白质从三个细菌类群和一个古门。的-proteobacterial蛋白质分为三个不同的集群,与orthology不一致。四个古细菌蛋白质集群与细菌蛋白质分开,并形成关系表明只有Haloarcular同系物可能不是同源。似乎不太可能,集群的成员18是同源的。

总之,大部分的18个集群包含蛋白质,不可能同源虽然少数例外。而水平基因转移似乎占这些差异,我们认为,早期基因重复事件,同样可能导致多个paralogues,发生在这个蛋白质家族。

3.12。守恒的图案在ArsA同系物

MEME的程序(30.)是用于检查守恒的主题的发生在112年ArsA同系物中训练集,80个域和32双域蛋白质。最保守的两个图案用这个程序如图6。最好的守恒的主题(主题1图6)包括罗斯曼褶皱图案(GXGXXG)初完全守恒这一主题。的序列完全守恒的主题(位置1 - 7)+守恒的相邻残留在职位8日至13日GKGGVGK (T / S)₂X (S / A) (A / C / S) (A / S)[替代残留在单一位置在括号中)。29-33此外,在职位,我们发现另一种守恒的submotif (S / T) (T / S) DPA,唯一的替换是P,取而代之的是,T,或者米四五十同系物的包括在分析中。正如所料,单一域蛋白质只有一个这样的主题,而双域蛋白有两个这样的图案在没有明显的方式不同于彼此。

第二个最好的守恒的主题是12-residue主题(DTAPTGHTIRLL),称为DTAP主题(9]。DTAP主题似乎是一个构象上灵活的地区促进ATP / ADP衬底/产品的互变现象结合位点(年代)。此异常守恒的图案对应准确,由仁瑟et al。9]。此外,罗斯曼褶皱图案后,SXD主题是观察S和D几乎完全守恒的。最后,这些蛋白质的糖基是守恒的N残留物完全保存在单个域蛋白质(见下文)。

三个半胱氨酸残基被证明是重要的活动大肠杆菌ArsA蛋白质、C113 C172, C422 [9]。保护这些半胱氨酸检查分别在多个排列的双和单一域蛋白质。双域蛋白质可以在集群中找到1、4和6,而所有剩余集群包括蛋白质只有单个域。这些三个半胱氨酸残基被保存在单个域蛋白质。在所有集群1蛋白质,C是完全守恒的只有一个例外:C172 Sty1 N所取代。然而,在集群4和6,这些半胱氨酸是守恒的。事实上,W是发现除了一个(Gur2)集群的4蛋白质,可以找到一个F, C113,而L和C V取代6蛋白残留在两个集群。C172取而代之的是一个集群4 S和T蛋白除了Gur2 R是发现的地方。V和K残留替代两个集群的C 6蛋白质。C422集群1完全守恒的蛋白质,但集群4同系物,脂肪族疏水残总是发生。 Finally, in the two Cluster 6 proteins a G and an L occur. It seems clear from this analysis that the mechanism of action of Cluster 1 homologues differs substantially from that of all other proteins in the ArsA tree (Figure1)。

单一域蛋白质分别对齐,他们被发现有一个守恒的罗斯曼褶皱图案GKGG (V / T)门将(T / S)。DTAP主题也可以认可的,但是它比双域不那么保守的蛋白质。此外,三个守恒的半胱氨酸存在于双域蛋白质和必不可少的活动大肠杆菌蛋白质并不保存在任何单一域蛋白质。然而,两个地区在这些单一域蛋白质被证明是守恒的。这些SXD主题开始的蛋白质,在年代完全守恒和D只能代替N,和上面提到的完全守恒的c端N残渣。因此,很明显,必须完全不同的行动的机制,但这些差异分配很大程度上根据系统集群。

4所示。讨论

明显的功能滥交ArsA同系物是值得注意的。我们的系统发育分析提供了共同进化的证据不同的ArsA与(1)ArsB同系物,ArsP,并且经常ArsD, (2) CstA CstX,和(3)气体泡生物起源的蛋白质。然而,ArsA Acr3同系物没有共同进化,和几个ArsH同系物确定独立于ArsA似乎也已经进化。然而,我们已经证明了arsB,arsP, arsD,acr3经常发生在相同的操纵子arsA同系物;cstA,cstX,cstY还发现在操纵子吗arsA同系物,CstA“看起来”像一个通透酶。编码基因的进化和coclustering建议通用功能和相互交互。

支持假设ArsA同系物函数结合这些不同的透性酶,我们检查了一个实例arsA同系物中发现一个操纵子,其中包含一个上面提到的四个假定的转运蛋白在缺乏其他三个。我们已确定9 Acr3这种情况下,11 ArsP, CstA ArsB十,26。引人注目的是,没有一个砷抗性基因与碳饥饿基因操纵子中发现。反过来也是正确的,清楚地表明一个函数前在砷抗性基因集,而不是后者。

系统发育树的基础上,我们建议ArsA协同进化与上述蛋白质Acr3的例外。因此,我们假设ArsA同系物函数不仅与ArsB还,在特定情况下,ArsP和CstA。分析潜在的共同进化的蛋白质,蛋白质不存在在同一操纵子或基因簇,少数情况下透露可能的共同进化,但在许多情况下,共同进化似乎是不可能的。

应该注意的是,尽管Acr3可能没有与ArsA协同进化同系物,acr3基因被发现在操纵子还含有9倍arsA同系物但缺乏arsB和arsP基因在基因组的任何地方。有23个实例中acr3与一个基因被发现arsA没有一个同系物的操纵子arsB。因此,ArsA同系物可以函数与一位身份不明的操纵子中发现的蛋白质不是或cotranscribedacr3同系物。最近的一项研究提出,基于生化分析,ArsA同系物确实函数Acr3 [17]。一个克隆答:metalliredigens arsa1操纵子,包含两个单独的域arsA同系化合物和一个acr3同系物。当转移到大肠杆菌时观察亚砷酸盐,增加阻力arsA和acr3同系物是表示在一起。相比之下,没有观察到当这种阻力增加acr3同系物独自表达(17]。的广泛colocalizationarsA和acr3同系物和最近的生化分析的傅et al。17),我们认为ArsA亚砷酸可能会激励Acr3-mediated流出。

外膜的情况下造孔因素(OMFs)尤其与本文所讨论的内容有关。OMF蛋白质功能与不同细胞质膜运输系统,但没有与这些系统的共同进化(34]。一个解释可能是滥交的蛋白质相互作用所需的功能。它是已知的,例如,一个OMF(例如,TolC大肠杆菌)可以用几种不同的转运蛋白功能,虽然余函数膜融合蛋白(MFPs)不(见TCDB)。因此,蛋白质表现出缺乏共同进化函数仍然可以在一起,但物理协会可能不太严格。

守恒的图案在ArsA同系物检查使用MEME程序(30.]。关于内部复制ArsA同系物的集群系统1,4,6,罗斯曼褶皱及周边地区被证明几乎相同,因此只有第一个部分的主题,提出了所有域同系物,单独在一起。几乎所有的罗斯曼折叠完全守恒的同系物,表明蛋白质包含在我们的研究中没有一个是假基因的产物。此外,DTAP领域,认为促进ATP / ADP衬底/产品的互变现象结合位点(s),也被证明是非常保守所有的同系物。事实上,保护在这两个主题是更广泛的比以前认识,表明额外的残留物对函数将被证明是至关重要的。也值得注意,特别守恒的氨基端SXD N c端残留也存在于这两个域蛋白质,以及所有的同系物,再次表明这些残留在这些使用的基本机制中发挥作用的蛋白质。

上面提到的功能与非凡的保护缺乏保护的三个半胱氨酸残基,在大肠杆菌ArsA蛋白质已被证明是必不可少的功能(9]。这些残留物完全守恒在集群1中,其中包括双域大肠杆菌蛋白质。事实上,集群的所有成员似乎有相同的通用功能和催化ATP水解耦合传输的机制是一样的。更感兴趣的是其他同系物的结论可以通过相同的机制功能,因为它们缺乏这些半胱氨酸。因此这些分析不仅表明,这些蛋白质的功能不同,而且他们的行动的机制将有所不同。

我们发现一些的同系物arsA在操纵子编码的气泡生物起源的蛋白质。它可以假定atp酶功能激活一个生物的步骤。自GvpN似乎也是一个atp酶,它似乎是合理的提出这两个蛋白质功能激励不同但相关的功能。Hsp20蛋白质,也常常出现在气体泡基因簇,大概在蛋白质复合体的形成中扮演主角的角色。

通过检查ArsA同系物系统发育树中,我们发现基因编码相关的集群1同系物arsB,arsP,acr34和6,集群同系物编码与气体泡生源论蛋白质,和集群14 - 18同系物碳饥饿基因被发现cstA,cstX,有时,cstY。CstA可能功能肽吸收(42];CstX可能几个CstA-catalyzed运输ArsA-dependent ATP水解和从未发现编码在一个操纵子cstA。这一事实强烈建议关闭功能和物理这两个基因产物之间的关系。CstY是一种蛋白质中发现五古生菌,在操纵子和编码cstA和cstX。CstY可能会提供一个不必要的辅助函数。不像农业研究所操纵子,气体泡和碳饥饿操纵子可能不是由亚砷酸浓度控制,因为它们不包含相关联arsR基因。

ArsA同系物与砷抗性和天然气泡生源论有两个领域,长600原子吸收光谱法。相比之下,ArsA同系物碳饥饿相关基因有一个域和长300原子吸收光谱法。为什么与砷抗性相关的内部重复ArsAs总是还是gvp与碳饥饿蛋白质基因而那些函数具有一个ArsA域是未知的。后者ArsAs可能函数为。我们还发现60新实例ArsP同系物基于他们的协会与其他农业研究所操纵子因素。虽然功能ArsP同系物是未知的,他们可能会扮演一个备份的作用(3)出口或作用于一个相关的基质。

我们已经确定了三个假定的基因存在于氧化还原农业研究所操纵子。他们编码同系物CcdA、硫氧还蛋白和二硫化redox-active ArsC蛋白质2可能功能,如(V)还原酶。硫氧还蛋白可能会提供电子ArsC, CcdA可能转移电子穿过膜DsbD一样。然而,并不是所有DsbD同系物似乎促进跨膜电子流动。一个函数在跨膜电子流动似乎不大可能因为ArsC是细胞质。清楚报告的分子遗传研究开放许多途径调查。

确认

作者要感谢巴里·罗森的有价值的建议和批评,安德烈·奥斯特曼为有用的讨论和Lesya卡斯蒂略援助与数字。本文由NIH资助GM077402支持。

补充材料

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