Глава 5 Идентификация и характеристика генов биосинтеза эктоина у метилотрофной бактерий Methylarcula marina
5.1 Накопление эктоина галотолерантным метилотрофом Methylarcula marina
Метанольные экстракты клеток галотолерантного метилотрофа Methylarcula marina анализировали методом ВЭЖХ на содержание эктоина. При увеличении солености среды в клетках M. marina возрастает содержание эктоина, причем максимальное содержание эктоина наблюдали при 8% NaCl (рис. 4). Рост M. marina замедляется при концентрации выше 6% NaCl. Снижение уровня эктоина в клетках, растущих при солености выше 8%, по-видимому, связано с накоплением других осмолитов.
Рис 4. Накопление эктоина клетками M. marina в ответ на солевой стресс NaCl, %
Следовательно, у M. marina эктоин является осмопротектором, т.е. соединением, ответственным за поддержание осмотического баланса между цитоплазмой и внешней средой. Далее представляло интересс изучить организацию генов биосинтеза данного осмолита у метилобактерии.
5.2 Идентификация генов, кодирующих ферменты биосинтеза эктоина у M.marina
Для идентификации генов синтеза эктоина у M. marina был использован подход, основанный на ПЦР методологии. Проведенный ранне анализ опубликованных и представленных в GenBank данных свидетельствовал о том, что у исследованных видов галофильных и галотолерантных бактерий гены, кодирующие ДАБ-ацетилтрансферазу, ДАБ-аминотрансферазу и эктоинсинтазу, расположены в одном кластере в последовательности ectABC. В результате сравнения аминокислотных последовательностей этих белков у галофильных гетеротрофных бактерий Marinococcus halofilus DSMт20408, Halomonas elongatа DSM 2581, Cromohalobacter salexigens (ранее Halomonas elongatа DSM 3043), Bacillus pasteurii, Vibrio cholerae, Bacillus haldurans, Oceanobacillus iheyensis (GenBnk AP004594), Streptomyces coelincolor (GenBank AL591322), а также ectABC кластеров у метилотрофных бактерий (Mm. alcaliphilium 20Z, Mm. kenyense AMO1, M. alcalica M8 и M. thalassica MT), и анализа найденных гомологичных участков были выбраны наиболее консервативные последовательности. С учётом вырожденности и встречаемости кодонов в генах, кодирующих эти белки, мы использовали ранее разработанные и созданные новые вырожденные праймеры для их амплификации (Рис. 5). При конструировании праймеров предполагалось, что у M. marina гены биосинтеза эктоина находятся в одном кластере и расположены последовательно: ectA, ectB и ectC (Рис. 5).
52
Рис. 5. Схема расположения генов биосинтеза эктоина у M. marina и разработанных вырожденных праймеров (ectHal, Tra3, CR).
Нуклеотидные последовательности праймеров ectHal и Tra3-CR представлены в табл. 5.
C использованием пары праймеров Tra3-CR были получены ПЦР-фрагменты генов ectB и ectC общей длиной ~1000 п.н. (Рис. 5а). ПЦР-продукт клонировали в вектор рZero и секвенировали. На основе выявленной нуклеотидной последовательности был синтезирован праймер HalR, комплементарный этой последовательности. С использованием вырожденного праймера ectHal и HalR был получен ПЦР-продукт длиной ~1150 п.н. содержащий 3'-конец гена ectA и 5'-конец гена ectB (Рис. 5б). Это указывало на сопряженное расположение генов в кластере в первоначально предположенной последовательности - ectABC. Допуская, что, аналогично другим метилотрофам - Mm. alcaliphilium 20Z, M. alcalica M8 и M. thalassica MT (Решетников, 2006), вслед за геном ectC расположен ген, кодирующий специфическую аспартаткиназу, был сконструирован и синтезирован вырожденный праймер Rtn на ген ask. С использованием комплементарного праймера HalF на ген ectB и вырожденного праймера Rtn был амплифицирован фрагмент ДНК длиной ~1250 п.н. и секвенирован (Рис. 6с)
Таким образом, мы получили полные последовательности генов ectB и ectC, а также ~100 п.н. гена ectA и ~180 п.н. гена ask.
Рис. 6. Электрофорез ПЦР продуктов полученных с использованием праймеров:
a) Tra3-CR; б) ectHal-HalR и c) HalF-Rtn. M - маркер “ Gene RulerTM 100bp DNA Ladder plus”.
Секвенирование ПЦР-продуктов и анализ нуклеотидных последовательностей позволили объединить их в один фрагмент длиной ~2100 п.н., в котором обнаружены четыре открытые рамки считывания, среди которых ОРС, соответствующие генам ectA и ask, были неполными.
52
Рис. 7. Схема расположения ect-генов у M. marina и положение праймеров. Последовательности праймеров приведены в табл. 5.
Для идентификации недостающей последовательности гена ask была применена стратегия инвертированной ПЦР. Инвертированная (от англ. “inverse”), или обратная, ПЦР применяется для клонирования областей ДНК, непосредственно прилегающих к области с известной последовательностью. Данный подход удобен тем, что устраняется необходимость создания геномных библиотек и их последующего скрининга, что достаточно трудоёмко. Суть метода заключается в следующем: геномную ДНК фрагментируют расщеплением эндонуклеазами, не имеющими сайтов внутри известной последовательности. Полученные фрагменты лигируют при низкой концентрации ДНК в условиях, когда образуются преимущественно кольцевые молекулы. Полученные кольцевые молекулы ДНК используют в качестве матрицы в ПЦР, которую проводят с праймерами (Рис. 8, праймеры 1 и 2), соответствующими концевым областям известной последовательности, синтез с которых направлен в стороны с неизвестной последовательностью (Sambrook, Russell, 2001).
Рис. 8. Схема клонирования участков ДНК, прилегающих к фрагментам с известной последовательностью.
Для расщепления хромосомной ДНК M. marina была выбрана рестриктаза ApoI. В результате ПЦР с использованием праймеров Askn и Askg (комплементарные гену ask) и кольцевых молекул ДНК был получен фрагмент ~690 п.н. (рис. 9)
M
Рис. 9. Электрофорез продуктов инвертированной ПЦР, полученных с использованием кольцевых молекул ДНК M. marina и праймеров:
Hal-askR(inv) и Hal(inv)-askF, M - маркер “ Gene RuleTM 100bp DNA Ladder plus”.
Анализ нуклеотидной последовательности полученного фрагмента выявил внутренную область гена ask.
Для того, чтобы выявить полную последовательность гена ask, нами была использована стратегия векторетного ПЦР. Эта стратегия основывается на создании адаптора с известной последовательностью и с сайтом рестрикции. Созданный адаптор с выступающим 5' концом (GATC), был получен из двух комплементарных олигонуклеотидов vect57 и vect53. Гидролизованная по рестриктазе BamHI тотальная ДНК M. marina (обладающая комплементарной последовательностью к липкому 5' концу адаптора) была лигирована с адаптором, с последующей амплифицированией используя праймер на адаптор С20 и комплементароного праймера на тотальную ДНК (рис 10).
Рис. 10. Схема векторетного ПЦР-анализа
Используя комплементарный праймер AskF на ген ask и праймер C20 на адаптор, был амплифицирован фрагмент ДНК ~1400 п.н. и севенирован(Рис 11а). В результате секвенирования ПЦР-фрагмента и анализа нуклеотидных последовательностей получили фрагмент ДНК, кодирующий полную последовательность гена ask.
Для идентификации недостающей 5' обасти гена ectA была использована векторетная ПЦР. Используя комплементарный праймер ectF на ген ectA и С20 на адаптор, был получен ПЦР-продукт длиной ~1300 п. н. (Рис 11б) и секвенирован. Анализ нуклеотидной последовательности выявил недостающую область гена ectA.
М М
А) ~1400 п.н. б) ~1300п.н.
Рис. 11. Электрофорез продуктов векторетной ПЦР, полученных с использованием тотальной ДНК M. marina и праймеров: a) на ген ask и праймеры AskF и C 20, б) на ген ectA и праймеры ectF и C 20, M - маркер “ Gene RuleTM 100bp DNA Ladder plus”.
Анализ нуклеотидной последовательности, вверх по направлению от гена ectA, выявил ОРС, кодирующую белок из 184 аминокислотных остатка, проявляющий гомологию (36% идентичности) с транскрипционным белком-репрессором биосинтеза эктоина EctR из Mm. alcaliphilium 20Z (Mustakhimov et al., 2010). Анализ транслированной аминокислотной последовательности обнаруженной ОРС выявил поворот спираль поворот (НТН) мотив, характерный для белков регуляторов MarR семейства. Возможно, данный белок из M. marina участвует в регуляции транскрипции генов биосинтеза эктоина, по механизму, аналогичному у галотолерантного метанотрофа Mm. alcaliphilium 20Z (Mustakhimov et al., 2010).
Таким образом, в результате секвенирования ПЦР-фрагментов и анализа нуклеотидных последовательностей был получен фрагмент ДНК (3304 п.н.), в котором обнаружены ОРС, соответствующие генам ectA, ectB, ectC и ask. Поскольку расстояния между этими генами небольшие (18, 5 и 7 п.н., соответственно), можно предположить, что гены биосинтеза эктоина у M. marina транскрибируются в составе одной полицистронной матричной РНК.
Анализ транслированых полученных нуклеотидных последовательностей показал, что ген ectC кодирует полипептид из 131 аминокислотных остатков с рассчитанной молекулярной массой 14.8 кДа. Аминокислотная последовательность EctC оказалась на 40-64% идентичной последовательностям эктоинсинтаз из других галофильных бактерий. Ген ectB кодирует полипептид из 430 аминокислот с рассчитаной молекулярой массой 45.2 кДа и на 36-71% идентичен ДАБ-аминотрансферазам из галофильных бактерий. Ген ectA кодирует полипептид из 181 аминокислот с расчитанной молекулярной массой 20,2 кДа c идентичный на 23-63%.
52
Рис. 12. Филогенетическое дерево белков EctABC, основанное на сравнении транслированных аминокислотных последовательностей генов ectABC у метилотрофных (подчеркнуты) и гетеротрофных галофильных бактерий. Дерево построено методом минимальной эволюции. В скобках указаны номера соответствующих генов в полных геномах бактерий, представленных в базе данных.
52
Рис 13. Филогенетическое дерево аспартаткиназ, основанное на сравнении транслированных аминокислотных последовательностях ask-генов, расположенных в эктоиновом кластере метилотрофов (подчеркнуты), и ask-генов, сопряженных с кластером ectABC, у других галофильных бактерий.
5.3 Интеграция генов биосинтеза эктоина из M. marina в негалофильный штамм Methylobacterium extorquens AM1
Для интеграции генов биосинтеза эктоина из M. marina в хромосому Methylobacterium extorquens АМ1 был выбран вектор, мини-транспозон pBSL-180. Кассета для интеграции, входящая в состав pBSL-180, содержала конститутивный промотор метанолдегидрогеназы Pmax и ectABC гены. Данный вектор был сконструирован следующим образом. ПЦР-фрагмент, содержащий промоторную область Pmax, амплифицировали с плазмиды pCM-160, используя праймеры PmaxF-PmaxR, и клонировали по сайтам EcoRI и BamHI в pBSL-180 с образованием вектора pBSL/Pmax. ДНК-фрагмент, кодирующий гены биосинтеза эктоина ectABC, был амплифицирован из M. marina с использованием праймеров Ect-operC(hal) и Ect-operN(hal). ПЦР-фрагмент клонировали по сайтам рестрикции EcoRI и HindIII в плазмиду pBSL/Pmax c образованием pBSL/Pmax/ectABC размером около 9 т.п.н. ( Рис 14)
Рис. 14. Схема клонирования генов биосинтеза эктоина(ectABC) из M. marina под промотором метанолдегидрогеназы(Pmax) в мини-транспозон pBSL-180.
Конструкцию pBSL/Pmax/ectABC трансформировали в клетки E. coli S-17(вpir). Полученные трансформанты E. coli использовали для конъюгации в дикий штамм M. extorquens AM1. Трансформанты M. extorquens, содержащие плазмиду pBSL180/Pmax/ectABC, выращивали на агаризованой минеральной среде К с метанолом и канамицином.
Наличие интегрированной кассеты Pmax/ectABC в хромосоме M. extorquens AM1 оценивали ПЦР с праймерами PmaxF и ectArev на Pmax и ectA (Рис 15).
M
~700 п.н.
Рис.15 Электрофорез ПЦР продуктов генов Pmax и ectA с использованием праймеров:
PmaxF и ectARev, M - маркер “ Gene RuleTM 100bp DNA Ladder plus”.
Трансформанты M. extorquens AM1 (Pmax/ectABC) выращивали на среде К с канамицином, клетки собирали центрифугированием. Экстракцию эктоина из клеток метанолом проводили в течение 2 ч. В полученных метанольных экстрактах количество эктоина анализировали методом ВЭЖХ на хроматографе высокого давления Prominence, оснащенным детектором SPD-20A (Shimadzu, Япония).
В полученных трансформантах M. extorquens AM1 (Pmax/ectABC) был обнаружен эктоин в концентрации 75 мкг на 100 мг сухих клеток (Рис. 16с), что свидетельствует об экспрессии генов ectABC с промотора Pmax.
А)
Б)
С)
Рис. 16 Анализ накопления эктоина используя метод ВЭЖХ: а) контроль эктоина (“Sigma”), б) дикий штамм M. extorquens AM1, с) рекомбинантный штамм M. extorquens AM1.
Глава 6 Клонирование, очистка и первичная характеристика рекомбинантной ДАБ-ацетилтрансферазы
6.1 Клонирование и экспрессия генa ectА из M. marina
Для конструирования продуцента ДАБ-ацетилтрансферазы ген ectА клонировали в экспрессирующий вектор pET28, определяющий синтез рекомбинантного белка с дополнительными 6 His на С-конце. Полученной плазмидой pETectA трансформировали E. coli BL21(DE3). В растворимой фракции лизата клеток E. сoli, после индукции ИПТГ, методом денатурирующего гель-электрофореза в присутствии SDS обнаружен белок с электрофоретической подвижностью, соответствующей молекулярной массе около 20 кДа (Рис. 17), которая согласуется c рассчитанной на основе аминокислотной последовательности (18.88 кДа).
52
Рис. 17. Электрофорез в 12.5%-ном SDS-ПААГ: 1 - маркерные белки; 2 - ДАБ-ацетилтрансфераза
В контрольных клетках E. coli (выращенных без индуктора) соответствующая белковая полоса отсутствовала. Очистку белка проводили методом аффинной хроматографии на Ni2+-NTA агарозе. В результате был получен гомогенный препарат EctA-His6-tag (Рис. 16). Электрофоретическая подвижность белка EctA из M. marina соответствует молекулярной массе около 20 кДа, которая согласуется c теоретически рассчитанным значением 20.0 кДа. При гель-фильтрации полученного препарата на Ultrogel AcA54 пик активности белков соответствовал молекулярной массе 40 кДа, что соответствует молекулярной массе гомодимерной формы данного фермента.
Физико-химические свойства ДАБ-ацетилтрансферазы. Температурный оптимум фермента составил +15°C (Рис. 18). Фермент активен в диапазоне рН от 7 до 9 с оптимумом при рН 8 (Рис. 19).
Рис.18 Зависимость активности ДАБ-ацетилтрансферазы от температуры.
Рис.19 Зависимость активности ДАБ-ацетилтрансферазы от pH.
Ранее ДАБ-ацетилтрансфераза была частично охарактеризована у H. elongata (Ono et al., 1999), Mm. alcaliphilum 20Z (Reshetnikov et al., 2006), M. alcalica и M. talassica (Mustakhimov et al., 2008). Необычно низкий температурный оптимум - около 15?С является главной отличительной особенностью этого фермета у M. marina по сравнению с ДАБ-ацетилтрнсферазами из выделенными из Mm. alcaliphilum 20Z, M. thalassica и M. alcalica. Общим свойством ферментов из вышеперечисленных метилотрофов и M. marina является близкая электофоретическая подвижность, соответствующая ~20 кДа (табл. 6). Однако, по некоторым свойствам ДАБ-ацетилтрансфераза из M. marina отличается от ферментов из Mm. alcaliphilum 20Z, M. alcalica и M. thalassica, имеющих максимальные активности при температурах, соответственно, 20, 35, 30°C и рН 9.5, 9.0 и 8.5.
Таблица 6. Свойства ДАБ-ацетилтрансфераз галофильных бактерий.
Свойства | M. thalassica | M. alcalica | M. alcaliphilum | M. marina | |
Оптимум pH | 8.5 | 9.5 | 9.5 | 8 | |
Оптимум темпратуры, ?C | 30-35 | 30-35 | 20 | 15 | |
Молекулярная масса (SDS-ПААГ электрофорез) | 20 kДa | 20 kДa | 20 кДa | 20 кДa | |
Молекулярная масса (гель фильтрация) | 40 kДa | 40 kДa | 40 кДa | 40 кДa | |
Kм (ДАБ) | 0.365 мM | 0.375 мM | 0.465 мM | ||
Kм (ацетил-КоА) | 76 мкM | 30 мкM | 36.7 мкM | ||
Ингибиторы (1 мM) | Zn2+ Cd2+ Cu2+ | Zn2+ Cd2+ Cu2+ | Zn 2+ Cd 2+ | ||
Оптимальная концентрация KCl, М | 0 | 0 | 0.25 М | ||
Оптимальная концентрация NaCl, М | 0 | 0 | 0.1-0.2 М | 0.1 М | |
Стабильность | Стабилен * | Стабилен* | Стабилен * | Нестабилен * |
Как показал анализ транслированных аминокислотных последовательностей, из ферментов синтеза эктоина (EctA, EctB, EctC), EctA имеет наиболее высокую степень дивергенции (25-80%), что коррелирует с различиями в свойствах этого фермента. Это также свидетельствует о том, что в процессе длительной адаптации M. marina к соответствующим условиям среды обитания ферменты биосинтеза эктоина, возможно, подвергались «вертикальной» эволюции, адаптируясь к экофизиологическим особенностям вида.
Итак, данная работа существенно дополняет представления о разнообразии генов и ферментов биосинтеза эктоина, демонстрируя на примере аэробных метилотрофов, что, наряду с высокой консервативностью пути биосинтеза эктоина у разных галофильных бактерий имеются различия в организации есt-генов и свойствах кодируемых ими ферментов. Дальнейшее изучение пути биосинтеза эктоина у галофильных метилотрофных бактерий на биохимическом и генетическом уровнях перспективно в плане расширения и углубления теоретических представлений о механизмах галоадаптации, а также для разработки биотехнологического процесса получения этого мультифункционального биопротектора.
