ЧИСЛО ГОМОЛОГОВ НЕКОТОРЫХ ФЕРМЕНТОВ БИОСИНТЕЗА ТРИПТОФАНА У РАСТЕНИЙ КОРРЕЛИРУЕТ С ДОЛЕЙ БЕЛКОВ, АССОЦИИРОВАННЫХ С ТРАНСКРИПЦИЕЙ
←
→
Транскрипция содержимого страницы
Если ваш браузер не отображает страницу правильно, пожалуйста, читайте содержимое страницы ниже
1032 ВАВИЛОВСКИЙ ЖУРНАЛ ГЕНЕТИКИ И СЕЛЕКЦИИ, 2014, ТОМ 18, № 4/2
УДК 575.852.112
ЧИСЛО ГОМОЛОГОВ НЕКОТОРЫХ ФЕРМЕНТОВ БИОСИНТЕЗА
ТРИПТОФАНА У РАСТЕНИЙ КОРРЕЛИРУЕТ С ДОЛЕЙ БЕЛКОВ,
АССОЦИИРОВАННЫХ С ТРАНСКРИПЦИЕЙ
© 2014 г. И.И. Турнаев1, И.Р. Акбердин1, В.В. Суслов1, Д.А. Афонников1, 2
1
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт цитологии и генетики
Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирск, Россия,
e-mail: turn@bionet.nsc.ru;
2
Новосибирский национальный исследовательский государственный университет,
Новосибирск, Россия
Поступила в редакцию 17 октября 2014 г. Принята к публикации 1 декабря 2014 г.
Путь биосинтеза триптофана (ПБТ) универсален у большинства известных организмов, хотя и отсут-
ствует у животных и некоторых эубактерий. У растений этот путь консервативен, но для разных видов
наблюдается различное количество паралогов ферментов, участвующих в этом пути. В настоящей
работе исследована возможная роль изменения числа паралогов ПБТ в процессе эволюции. Для этого
проведена идентификация паралогов ферментов этого пути в известных полногеномных последова-
тельностях и оценена статистическая связь между числом паралогов ПБТ и сложностью организмов.
Показано, что сложность организмов достоверно коррелирует с числом гомологов ферментов синтеза
триптофана у растений как для всех гомологов ферментов этого пути суммарно, так и для гомологов
трех из шести ферментов этого пути ASA/ASB, PAI и IGPS. Выявленные зависимости могут быть
обусловлены тем, что рост сложности организации растений и увеличение числа гомологов фермен-
тов синтеза триптофана являются механизмами эволюционной адаптации к изменчивым условиям
наземной среды обитания.
Ключевые слова: путь биосинтеза триптофана, филогенетические сети, морфологическая сложность
организмов, адаптация, изменчивость внешних условий.
клетка снижает скорости синтеза рРНК и тРНК
ВВЕДЕНИЕ
примерно в 10–15 раз, тем самым искусственно
Триптофан синтезируется бактериями, гри- создавая избыток аминокислот для реакции
бами и растениями и необходим для биосинте- белкового синтеза (Картель и др., 2011).
за белков. Кроме того, у растений триптофан В то же время в одной или двух субстратных
служит предшественником таких веществ, как реакциях субстраты часто становятся регуля-
фитоалексины, глокозинолаты, ряд алкалоидов, торами собственных реакций. Соответственно
участвующих в процессах защиты от патогенов триптофан, будучи в пути биосинтеза ауксина у
и вредителей, а также ауксина, ключевого гор- растений субстратом односубстратной реакции,
мона морфогенеза растений (Radwanski, Last, играет роль ее регулятора. Таким образом, три-
1995). Кроме того, триптофан, как аминокис- птофан участвует в специфической регуляции
лота, является субстратом для синтеза белков. экспрессии генов, так как ауксин – регулятор
Следует отметить, что реакция синтеза белков транскрипции ряда генов (Zhao, 2012).
двадцатисубстратная, по числу аминокислот. У растений ПБТ из хоризмата включает
При этом ситуация, когда аминокислоты за счет шесть последовательных реакций, контроли-
их низких концентраций могли бы быть регу- руемых ферментами ASA/ASB (антранилат
ляторами синтеза белка, является аминокислот- синтаза α/антранилат синтаза β), TRP (PAT,
ным голоданием, в ответ на который у эукариот фосфорибозил антранилат-трансфераза), PAIЧисло гомологов ферментов биосинтеза триптофана у растений 1033
(фосфорибозил-антранилат-изомераза), IGPS 24 видов растений, принадлежащих к разным
(индол-3-глицерол фосфат синтаза), TSA (трип- таксонам. Показано, что между числом парало-
тофан синтеза α), TSB (триптофан синтеза β) гов ферментов ПБТ и сложностью организации
(Radwanski, Last, 1995). Гены, кодирующие растений существует значимая положительная
ферменты ПБТ, несмотря на участие в таком корреляция, что свидетельствует о важной ре-
консервативном процессе, как биосинтез белка, гуляторной функции триптофана у растений.
у ряда таксонов претерпели дупликации, роль Выявленная зависимость может быть связана
которых до конца не выяснена. с необходимостью реализации дифференци-
Число генов-компонентов генных сетей в альной экспрессии генов-паралогов ПБТ для
ходе эволюции увеличивается за счет дупли- динамического изменения уровня триптофана
каций генов, с их последующей дивергенцией в процессе ответа растений на изменяющиеся
(Teichmann, Babu, 2004). В ряде случаев за счет условия внешней среды.
дупликации генов образуются мультигенные
семейства, включающие гены, кодирующие в
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
одном организме белки с перекрывающимися
функциями. К таким семействам относятся Формирование выборок гомологов
гемоглобины, иммуноглобины, антигены гис- ферментов пути биосинтеза триптофана
тосовместимости, актины, тубулины, кератины, у растений
коллагены, белки теплового шока, клейкие
Для анализа были взяты последовательности
белки слюны, белки хориона, белки кутику-
белков ферментов ПБТ у Arabidopsis thaliana:
лы, желточные белки, фазеолины (запасной
ASA (идентификаторы TAIR (Lamesch et al., 2012)
гликопротеин семян фасоли), белки YUCCA
AT5G05730, AT2G29690); ASB (AT1G25220,
растений, также как гены гистонов, рибосомных
AT5G57890); PAT(TRP) (AT5G17990); PAI
и транспортных РНК (Feliner, Rossello, 2012).
(AT1G07780, AT5G05590, AT1G29410); IGPS
Таким образом, ситуация множественности
(AT2G04400, AT5G48220); TSA (AT4G02610,
генов, кодирующих белки с перекрывающимися
AT3G54640); TSB (AT5G54810, AT4G27070).
функциями, широко распространена, и парало-
С помощью программы BLASTP 2.2.29+,
ги ферментов путей биосинтеза, подобных ПБТ,
(e- value1034 И.И. Турнаев, И.Р. Акбердин, В.В. Суслов, Д.А. Афонников
делеции) удаляли из выборки. Для более точ- EST организма, представленных в БД GenBank
ной идентификации ортологов и паралогов в и Ensemble (EST последовательности в боль-
последовательностях белковых семейств мы шинстве представляют фрагменты мРНК, ко-
реконструировали филогенетические сети дирующих белки, что делает неэффективным
методом ProteinMLdist/NeighborNet из пакета их использование для точного определения
SplitsTree4 (v. 4.12.8) (Huson, Bryant, 2006), количества гомологов и реконструкции фило-
поскольку известно, что филогенетические сети гении).
более адекватно отражают филогенетические
отношения при наличии в эволюции горизон-
Анализ корреляций между сложностью
тального переноса генов, что можно ожидать
организмов и количеством паралогов
при анализе эволюции белковых семейств у
ферментов пути биосинтеза триптофана
растений (Richardson, Palmer, 2007).
Для распознавания гомологов ферментов Для оценки сложности организмов мы ис-
ПБТ нами намеренно был выбран порог рас- пользовали параметр FБАТ – отношение количес-
познавания BLASTP 2.2.29+, (e-value < 10-40), тва белков, ассоциированных с транскрипцией
позволяющий идентифицировать как белки (БАТ), к общему числу белков организма (Lang
ферментов ПБТ, так и родственные им бел- et al., 2010). К числу БАТ относятся транс-
ки, выполняющие функции, не связанные с крипционные факторы и другие регуляторы
синтезом триптофана. Чтобы в построенных транскрипции. FБАТ может быть точно оценен
филогенетических сетях определить границу, на основе полногеномных данных и хорошо
отделяющую белки ПБТ от родственных им коррелирует с такой широко известной харак-
белков с другими функциями, мы для каждого теристикой сложности организмов, как число
из отдельных кластеров филогенетической сети клеточных типов (Там же). Данные по коли-
определяли белки с известными функциями на честву белков БАТ растений вышеуказанных
основе имеющихся литературных данных и таксонов (зеленые водоросли, мхи, плауны,
информации из БД CDD (http://www.ncbi.nlm. одно- и двудольные) взяты из статьи Lang с со-
nih.gov/Structure/cdd/cdd.shtml). Последователь- авт. (2010). Для оценки значимости взаимосвязи
ности белков, принадлежащие к кластерам, в между числом паралогов и количеством белков
которых (1) оказались белки с функциями, не БАТ мы использовали коэффициент корреляции
относящимися к синтезу триптофана, и (2) не Пирсона.
было белков ПБТ, удаляли из выборки, после
чего по новым выборкам заново строили фи-
РЕЗУЛЬТАТЫ
логенетические сети.
Затем из выборок удаляли последовательнос- Количество выявленных гомологов фер-
ти, положение которых на графе филогенетичес- ментов ПБТ в геномах растений представлено
кой сети нарушало общепринятую топологию в табл. 1. Оказалось, что водоросли и плауны
филогенетического дерева растений. Проводили имеют по одному паралогу каждого фермента,
несколько итераций этой процедуры, до тех пор мхи и сосудистые растения – от 1 до 9 парало-
пока нарушения не устранялись. Отметим, что гов. Девять паралогов ASA выявлено в геноме
среди удаленных таким образом последователь- Malus domestica. Для ферментов ПБТ, у которых
ностей многие содержали делеции и вставки в полногеномных данных не было найдено го-
среднего размера в консервативных участках мологов, был проведен анализ библиотек EST.
белков. Описанный отбор последовательностей В некоторых случаях (PAI у Mallus domestica и
позволил выявить среди гомологов ферментов ASA у Chlamidomonas reinhardtii) гомологич-
устойчивые группы белков, с высокой вероят- ные последовательности не обнаружены ни в
ностью выполняющие сходную функцию. Если полногеномных данных, ни в библиотеках EST,
в полногеномных данных гомологи какого-либо что, вероятно, связано с неполной представлен-
фермента не обнаруживались, для определения ностью генов геномов данных организмов как в
их возможного наличия в геноме мы проводили полногеномных проектах, так и в библиотеках
дополнительный поиск в последовательностях EST этих видов. Анализ взаимосвязи междуТаблица 1
Наличие гомологов ферментов синтеза триптофана (строки) в геномах растений (столбцы)
Зеленые водоросли Однодольные Двудольные
Мхи
Таксон
Zea mays
триптофана
Glycine max
Vitis vinifera
Volvox carteri
Carica papaya
Fragaria vesca
Lotus japonicus
в семействе
Sorghum bicolor
Malus domestica
Theobroma cacao
Ricinus communis
Manihot esculenta
Arabidopsis lyrata
Ostreococcus tauri
Populus trichocarpa
Medicago truncatula
Arabidopsis thaliana
Physcomitrella patens
Кол-во последовательностей
Brachypodium distarhion
Плауны Selaginella moellendorffii
Ostreococcus lucimarinus
Oryza sativa spp japonica
Chlamidomonas reinhardtii
ферменты пути биосинтеза
ASA – 1 1 1 2 1 3 1 2 2 2 2 2 3 3 2 2 2 2 9 4 4 1 53
ASB 1 1 1 1 2 1 5 1 1 2 1 1 1 5 5 2 1 2 1 3 3 E-91 1 43
TRP 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 2 5 1 2 2 1 5 5 1 1 1 40
PAI 1 1 1 1 1 1 2 2 1 1 1 1 E-88 1 3 2 1 1 2 – 2 1 2 30
IGPS 1 1 1 1 1 E-56 2 3 2 2 1 4 2 3 2 1 1 2 E-59 3 2 1 E-50 37
Число гомологов ферментов биосинтеза триптофана у растений
TSA 1 1 1 1 1 1 6 2 5 5 1 1 2 2 2 2 1 2 4 4 2 E-111 1 49
TSB 1 1 1 1 4 E-152 2 1 1 1 1 1 1 2 2 2 1 2 2 5 3 2 2 40
Примечание . Цифры в ячейках таблицы – количество гомологов фермента, выявленное при анализе полных геномов. Знак E с цифрами – значения уровня сходства (e-value)
с последовательностями ферментов A. thaliana для гомологов, выявленных по EST. Прочерк обозначает, что гомологи данного фермента не обнаружены ни среди полноге-
номных данных, ни в библиотеках EST.
10351036 И.И. Турнаев, И.Р. Акбердин, В.В. Суслов, Д.А. Афонников
параметром FБАТ растений и числом гомологов как для отдельных ферментов (ASA/ASB (обе
ферментов ПБТ выявил статистически значи- субъединицы), PAI и IGPS; табл. 2), так и для
мую (p = 0,0005) положительную корреляцию их суммарного числа (см. рисунок).
Таблица 2
Зависимость числа гомологов пути биосинтеза триптофана от параметра FБАТ для каждого
из ферментов этого пути
Семейство белков r p
ASA 0,56 0,0025*
ASB 0,69 0,031*
TRP 0,29 0,27
PAI 0,79 0,0033*
IGPS 0,59 0,015*
TSA 0,43 0,094
TSB 0,38 0,15
Пр и меч а н и е . Представлены коэффициенты корреляции (r) и уровни статистической значимости (p) для этих двух
параметров. * достоверные значения (p < 0,05).
Зависимость числа гомологов ферментов пути биосинтеза триптофана от доли белков БАТ среди всех белков
растения, FБАТ. По оси Х отложено значение параметра FБАТ. По оси Y – суммарное число гомологов по всем
ферментам пути биосинтеза триптофана. Коэффициент корреляции и уровень его значимости приведены
на графике. Штриховыми линиями обозначены границы 95 % доверительного интервала.
cre – Chlamidomonas reinhardtii, ota – Ostreococcus tauri, olu – Ostreococcus lucimarinus, vca – Volvox carteri, ppa – Phys-
comitrella patens, smo – Selaginella moellendorffii, zma – Zea mays, sbi – Sorghum bicolor, osa – Oryza sativa spp japonica,
vvi – Vitis vinifera, ath – Arabidopsis thaliana, ptr – Populus trichocarpa, cpa – Carica papaya, rco – Ricinus communis,
gma – Glycine max, mtr – Medicago truncatula.Число гомологов ферментов биосинтеза триптофана у растений 1037
ОБСУЖДЕНИЕ от спор к семенам – у семенных папоротников,
позволивший растениям оторваться от экоси-
Сравнительный анализ функций белков в
стем с высокой влажностью; появление тканей
парах паралогов ферментов ПБТ, выявленных с
цветов и плодов у покрытосеменных растений)
помощью нокаутного анализа их генов у некото-
и усложнения молекулярно-генетических сис-
рых видов семенных растений, свидетельствует
тем растений. Это усложнение морфологии
о специфичной экспрессии разных гомологов
позволило растениям занимать в процессе эво-
одного фермента синтеза триптофана в зависи-
люции все большее число экологических ниш,
мости от условий среды. Например, у A. thaliana
а также освоить ниши со значительными коле-
ген ASA2 экспрессируется на конститутивном
баниями условий (жара – холод, дожди – засуха
базальном уровне, а уровень экспрессии его па-
и т. д.). Это обстоятельство может объяснить
ралога ASA1 в десять раз выше и может допол-
выявленные нами положительные корреляции
нительно повышаться в ответ на ранение или
между долей генов БАТ (мерой сложности орга-
инфицирование бактериальными патогенами
низма) и числом гомологов ферментов синтеза
(Niyogi, Fink, 1992). Такие различия характерны
триптофана как для всего пути биосинтеза в
и для паралогов ASА1, ASА2 у Ruta graveolens
целом, так и для трех (ASA/ASB, PAI и IGPS)
(Bohlmann et al., 1995), а также OASA1, OASA2
из шести его ферментов в частности.
у однодольного растения Oryza sativa japonica
(Tozawa et al., 2001). Ген, кодирующий TSB2
у A. thaliana, продуцирует только 10 % мРНК БЛАГОДАРНОСТИ
триптофан синтазы β в тканях листа, экспрес-
Работа поддержана грантом РНФ 14-14-
сируется конститутивно на базальном уровне и
00734.
необходим для роста растения при недостатке
освещения. Его паралог, ген, кодирующий
TSB1, экспрессирует 90 % мРНК триптофан ЛИТЕРАТУРА
синтазы β, но лишь при ярком освещении (Last Картель Н.А., Макеева Е.Н., Мезенко А.М. Генетика =
et al., 1991). Эти данные демонстрируют важное Genetics: энциклопедический словарь. Минск: Беларус
значение дупликаций в ПБТ: один ген из пары навука, 2011. 758 с.
экспрессируется на конститутивном базальном Колчанов Н.А., Суслов В.В., Гунбин К.В. Моделирование
биологической эволюции: регуляторные генетические
уровне и требуется для синтеза белков и вторич-
системы и кодирование биологической организации //
ных метаболитов триптофана на минимальном Информационный вестник ВОГИC. 2004. Т. 8. № 2.
уровне, необходимом, например, для биосинте- C. 86–99.
за белков, а второй ген пары экспрессируется Bohlmann J., DeLuca V., Eilert U., Martin W. Purification
индуцибельно на высоком уровне в ответ на and cDNA cloning of anthranilate synthase from Ruta
graveolens: modes of expression and properties of native
внешние условия, благоприятные для быстрого and recombinant enzymes // Plant J. 1995. V. 7. No. 3.
роста и развития растения, или на стрессовые P. 491–501.
факторы (бактериальную инфекцию, ранения, Feliner G.N., Rossello J.A. Concerted evolution of multigene
недостаток освещения и др.), повышая концен- and homoelogous recombination families. Plant genome
diversity. Springer Wein Heidelberg, N. Y., Dordrecht,
трацию триптофана, часть молекул которого
London, 2012. 171 p.
может служить субстратом для синтеза ауксина, Huson D.H., Bryant D. Application of phylogenetic networks
участвуя в регуляторных процессах. in evolutionary studies // Mol Biol Evol. 2006. V. 23.
Растения в ходе эволюции были вынуждены No. 2. P. 254–267.
приспосабливаться к увеличению изменчивости Katoh K., Toh H. Recent developments in the MAFFT multiple
sequence alignment program // Brief Bioinform. 2008.
условий внешней среды (резкое увеличение V. 9. No. 4. P. 286–298.
пессимальности условий и амплитуды их изме- Lamesch P., Berardini T.Z., Li D. et al. The Arabidopsis
нений при выходе растений из воды на сушу) Information Resource (TAIR): improved gene annotation
за счет усложнения их морфологии: увеличение and new tools // Nucleic Acids Res. 2012. V. 40. P. D1202–
количества тканей (появление корней, листьев, D1210.
Lang D., Weiche B., Timmerhaus G. et al. Genome-wide
развитого стебля, тканей, позволивших освоить phylogenetic comparative analysis of plant transcriptional
сушу папоротникам, хвощам, плаунам; переход regulation: a timeline of loss, gain, expansion, and1038 И.И. Турнаев, И.Р. Акбердин, В.В. Суслов, Д.А. Афонников
correlation with complexity // Genome Biol. Evol. 2010. Teichmann S.A., Babu M.M. Gene regulatory network
V. 19. No. 2. P. 488–503. growth by duplication // Nat Genet. 2004. V. 36. No. 5.
Last R.L., Bissinger P.H., Mahoney D.J. et al. Tryptophan Р. 492–496.
mutants in Arabidopsis: the consequences of duplicated Tozawa Y., Hasegawa H., Terakawa T., Wakasa K. Char-
tryptophan synthase beta genes // Plant Cell. 1991. V. 3. acterization of rice anthranilate synthase alpha-subunit
No. 4. P. 345–358. genes OASA1 and OASA2. Tryptophan accumulation
Marchler-Bauer A., Zheng C., Chitsaz F. et al. CDD: conserved in transgenic rice expressing a feedback-insensitive
domains and protein three-dimensional structure // Nucleic mutant of OASA1 // Plant Physiol. 2001. V. 126. No. 4.
Acids Research. 2013. V. 41. Р. D348–D352. P. 1493–1506.
Niyogi K.K., Fink G.R. Two anthranilate synthase genes in Van Bel M., Proost S., Wischnitzki E. et al. Dissecting plant
Arabidopsis: defense-related regulation of the tryptophan genomes with the PLAZA comparative genomics platform
pathway // Plant Cell. 1992. V. 4. No. 6. Р. 721–733. // Plant Physiology. 2012. V. 158. No. 2. P. 590–600.
Radwanski E.R., Last R.L. Tryptophan biosynthesis and Vogel C., Chothia C. Protein family expansions and biologi-
metabolism: biochemical and molecular genetics // Plant cal complexity // PLoS Comput Biol. 2006. V. 2. No. 5.
Cell. 1995. V. 7. Р. 921–934. Р. e48.
Richardson A.O., Palmer J.D. Horizontal gene transfer in Zhao Y. Auxin biosynthesis: a simple two-step pathway con-
plants // Journal experimental Botany. 2007. V. 58. No. 1. verts tryptophan to indole-3-acetic acid in plants // Mol.
P. 1–9. Plant. 2012. V. 5. No. 2 P. 334–338.
THE NUMBER OF HOMOLOGS OF SOME ENZYMES IN THE TRYPTOPHAN
BIOSYNTHESIS PATHWAY CORRELATES WITH THE PROPORTION
OF PROTEINS ASSOCIATED WITH TRANSCRIPTION IN PLANTS
I.I. Turnaev1, I.R. Akberdin1, V.V. Suslov1, D.A. Afonnikov1, 2
1
Institute of Cytology and Genetics SB RAS, Novosibirsk, Russia,
e-mail: turn@bionet.nsc.ru;
2
Novosibirsk National Research State University, Novosibirsk, Russia
Summary
The tryptophan biosynthesis pathway (TBP) is ubiquitous in most known organisms, being absent only from
animals and some bacteria. It is conserved in plants, although various species differ in the number of TBP
enzyme paralogs. In the current work we investigated a putative possible role of changes in the number
of paralogs of TBP enzymes in the course of plant evolution. We identified TBP enzyme paralogs in plant
species with fully sequenced genomes and estimated the relationship between its number and organismal
complexity. It is shown that organismal complexity significantly correlates with the total number of TBP
paralogs and for some enzymes specifically (ASA/ASB, PAI, and IGPS). We suggest that such a relationship
arises because both organismal complexity and the increasing number of paralogs may be important for the
evolutionary adaptation of land plants to variable environmental conditions.
Key words: tryptophan biosynthesis pathway, phylogenetic network, morphological complexity of
organisms, adaptation, variability of environmental conditions.Вы также можете почитать
