Methanosarcinales Tile Protein S-слоя - Methanosarcinales S-layer Tile Protein

Methanosarcinales Tile Protein S-слоя
Идентификаторы
СимволS-слой
PfamPF07752
ИнтерПроIPR006457

В Methanosarcinales Tile Protein S-слоя (MSTP) - это семейство белков, встречающееся почти исключительно у представителей Methanomicrobia отряда Methanosarcinales. Обычно тандемный повтор двух доменов DUF1608 содержится в одной белковой цепи MSTP, и эти белки самоорганизуются в защитный белковый поверхностный слой (S-слой ) структура, охватывающая ячейку. S-слой, который встречается в большинстве Археи, и во многих бактерии, выполняет множество важных функций, включая защиту от вредных внеклеточных веществ.[1]

Открытие S-слоя Methanosarcinales

Первые S-слои были обнаружены у бактерий в 1950-х годах.[2] а наличие S-слоев у многих архей было определено с помощью микроскопических (как световых, так и электронных) исследований архей. Наличие S-слоя в члене Methanosarcinales было определено в 1980-х гг. электронный микроскоп (EM) исследования, изучающие морфологию клеток Methanosarcina mazei.[3] Это и другие исследования ЭМ подтвердили, что структура клеточной оболочки Methanosarcinales состоит из цитоплазматической мембраны (ЦМ) с дополнительным барьером (S-слоем), внешним по отношению к ЦМ. В условиях низкой осмолярности S-слой обильно украшен полисахаридом, называемым метанохондроитином, и клетки имеют тенденцию расти в многоклеточные агрегаты.[4][5] При адаптации к условиям высокой осмолярности клетки дезагрегируют и растут как отдельные клетки, лишенные слоя метанохондроитина.[5]

Идентификация белка S-слоя Methanosarcinales

Идентичность белков, составляющих S-слой этих организмов, впоследствии была определена протеомным подходом.[6] Основные белки S-слоя M. acetivorans C2A и M. лабиринт Gö1 были определены как MA0829 и MM1976 соответственно. Было обнаружено, что дополнительные белки с характеристиками, подобными MA0829 и MM1976, присутствуют в клеточных оболочках этих организмов в незначительных количествах.[6] В геномах всех исследованных видов Methanosarcina имеется 4-10 паралогов, содержащих DUF1608. Основные и второстепенные белки S-слоя M. acetivorans C2A и M. лабиринт Gö1 имеет много общих черт, включая: N-концевой сигнальный пептид, один или два белковых домена из семейства белков DUF1608,[7] отрицательно заряженная связка из ~ 70 аминокислот и С-концевая трансмембранная спираль, которая, вероятно, прикрепляет S-слой к CM.

Анализ белковых последовательностей показал, что члены семейства белков DUF1608 содержат 250-300 аминокислот и встречаются только у архей.[8] За исключением двух галофильных архей, домен DUF1608 является эксклюзивным для метаногенных архей отряда Methanosarcinales.[9] DUF1608 был отнесен к семейству белков (Pfam ), pfam07752.[7]

Структура

Структура C-концевого домена DUF1608 Tile Protein MA0829 S-слоя Methanosarcinales. A, C-концевой домен DUF1608 MA0829 с доменом I, окрашенным в красный цвет, домен II - в синий, а субдомен коннектора - в желтый. B, кристаллографический димер MA0829 CTR. C - тример кристаллографических гомодимеров CTR. Лиганды цитрата аммония из кристаллизационного раствора, связанные на межмолекулярных поверхностях раздела, показаны в виде заполнения пространства. D - шестиугольные плитки, сформированные из тримерных гомодимерных сборок CTR. Указаны первичные, асимметричные и тримерные поры. E - вид сбоку модели S-слоя MSTP в разрезе (изображение в D повернуто на 90 ° от наблюдателя). Положение первичной поры указано стрелками. Адаптирован из [10]

Структура одного из двух тандемных повторов DUF1608, составляющих основной MSTP M. acetivorans (MA0829) был определен с высоким разрешением Рентгеновская кристаллография.[10] Структура C-концевого тандемного повтора DUF1608 (CTR) MA0829 выявила, что домен белка DUF1608 состоит из двух структурно подобных β-сэндвич-доменов, соединенных субдоменом короткого коннектора. Β-сэндвич-домены структурно похожи не только друг на друга, но и на другие белки, связанные со структурами оболочки различных видов, включая бактериальные, грибковые и вирусные образования.

В то время как структура только одного из двух доменов DUF1608 белка MA0829 была определена, структура полноразмерного белка тандемного повтора DUF1608 MA0829 (за вычетом N-концевого сигнального пептида и C-концевого связующего звена и якоря) может быть смоделирована с помощью MA0829 CTR, образуя один и тот же кристаллографический димер в двух различных кристаллических формах. Высокая степень идентичности первичной аминокислотной последовательности между N- и C-концевыми доменами DUF1608 (79% идентичности и 87% сходства) позволила моделирование гомологии N-концевой аминокислотной последовательности DUF1608 на один из доменов DUF1608 в кристаллографическом димере DUF1608 CTR, тем самым обеспечивая первую модель с высоким разрешением белка S-слоя архей.

Модель четвертичной структуры M. acetivorans S-слой был предложен на основе упаковки MA0829 CTR в гексагональной решетке в одной из двух полученных кристаллических форм (Банк данных белков инвентарный номер 3U2G).[10] Минимальным строительным блоком листа S-слоя является тример кристаллографических димеров MA0829 CTR. Боковое перемещение тримерной единицы создает плоский 2-мерный лист, который имеет характеристики, соответствующие молекулярным свойствам гексагональных S-слоев архей.[11][12][13] Общий вид S-слоя напоминает сотовую структуру из шестиугольных плиток с расстоянием между центрами плиток ~ 240 Å и высотой ~ 45 Å.[10]

В листе присутствуют поры трех различных типов, причем «первичные поры» расположены на оси симметрии шестого порядка, а «поры тримеров» - на оси симметрии третьего порядка.[10] Асимметричные поры расположены между соседними тримерными строительными блоками. Размер пор достаточно велик, чтобы обеспечить обмен метаболитов между организмом и внешней средой. В то время как белковые составляющие барьеров на основе липидов, такие как внешние мембраны бактерий, могут быть быстро изменены в ответ на физиологические или экологические стимулы, большие размеры пор S-слоя, состоящего из белковых субъединиц MSTP, предположительно необходимы для обеспечения прохождения молекул через защитный барьер, молекулярные характеристики которого трудно изменить. Интересная особенность модели, предложенной для M. acetivorans S-слой - это в подавляющем большинстве отрицательный заряд поверхностей S-слоя, включая поры. Таким образом, S-слой представляет собой значительный размер и барьер для свободного прохождения молекул через S-слой.[10]

Две структуры MA0829 CTR депонированы в Банк данных белков: 3U2G - это код доступа для меченого селенометионином белка в пространственной группе P622, а 3U2H - это код доступа для немеченой структуры белка в пространственной группе C2.

Приложения

S-слои имеют множество потенциальных приложений в биотехнологии.[14] Использование структуры MA0829 с высоким разрешением для облегчения таких исследований осложняется трудностями восстановления архейных S-слоев. in vitro.

Рекомендации

  1. ^ Кениг Х (1998). «Оболочки клеток археобактерий». Может J Microbiol. 34 (4): 395–406. Дои:10.1139 / m88-071.
  2. ^ Хаувинк, А. Л. (1953). "Макромолекулярный монослой в клеточной стенке Спирилл спец ». Biochim Biophys Acta. 10 (3): 360–6. Дои:10.1016/0006-3002(53)90266-2. PMID  13058992.
  3. ^ Олдрич ХК, Робинсон Р.В., Уильямс Д.С. (май 1986 г.). "Ультраструктура Methanosarcina mazei". Систематическая и прикладная микробиология. 7 (2–3): 314–9. Дои:10.1016 / S0723-2020 (86) 80025-X.
  4. ^ Крейсл П., Кандлер О. (май 1986 г.). «Химическая структура полимера клеточной стенки метаносарцина». Систематическая и прикладная микробиология. 7 (2–3): 293–9. Дои:10.1016 / S0723-2020 (86) 80022-4.
  5. ^ а б Сауэрс К.Р., Бун Дж. Э., Gunsalus RP (1993). "Разбивка Methanosarcina виды и рост отдельных клеток при повышенной осмолярности ». Appl Environ Microbiol. 59 (11): 3832–9. Дои:10.1128 / AEM.59.11.3832-3839.1993. ЧВК  182538. PMID  16349092.
  6. ^ а б Francoleon DR, Boontheung P, Yang Y, Kin U, Ytterberg AJ, Denny PA, Denny PC, Loo JA, Gunsalus RP, Loo RR (апрель 2009 г.). "S-слой, доступный на поверхности, и связывающие конканавалин А белки Methanosarcina acetivorans и Methanosarcina mazei". J Proteome Res. 8 (4): 1972–82. Дои:10.1021 / pr800923e. ЧВК  2666069. PMID  19228054.
  7. ^ а б "PF07752". PFAM. Институт Сэнгера. Архивировано из оригинал 15 октября 2013 г.. Получено 11 февраля 2013.
  8. ^ Бейтман А., Коин Л., Дурбин Р., Финн Р. Д., Холлич В., Гриффитс-Джонс С., Ханна А., Маршалл М., Моксон С., Зоннхаммер Е. Л., Студхольм Д. Д., Йейтс С., Эдди С. Р. (2004). «База данных семейств белков Pfam». Нуклеиновые кислоты Res. 32 (Выпуск базы данных): D138–41. Дои:10.1093 / нар / гх121. ЧВК  308855. PMID  14681378.
  9. ^ Рохлин Л., Леон Д.Р., Ким У, Лоо Дж.А., Огоржалек Лоо Р.Р., Gunsalus RP (2012). «Идентификация основных экспрессируемых белков S-слоя и клеточного поверхностного слоя в модельных метаногенных архее: Methanosarcina barkeri Fusaro и Methanosarcina acetivorans C2A». Археи. 2012: 1–10. Дои:10.1155/2012/873589. ЧВК  3361143. PMID  22666082. 873589.
  10. ^ а б c d е ж Арбинг М.А., Чан С., Шин А., Фан Т., Ан С.Дж., Рохлин Л., Gunsalus RP (2012). «Структура поверхностного слоя метаногенного архея Methanosarcina acetivorans». Proc Natl Acad Sci U S A. 109 (29): 11812–7. Bibcode:2012PNAS..10911812A. Дои:10.1073 / pnas.1120595109. ЧВК  3406845. PMID  22753492.
  11. ^ Слейтр У.Б., Месснер П (1983). «Кристаллические поверхностные слои на бактериях». Анну Рев Микробиол. 37: 311–39. Дои:10.1146 / annurev.mi.37.100183.001523. PMID  6416145.
  12. ^ Cheong GW, Guckenberger R, Fuchs KH, Gross H, Baumeister W (сентябрь 1993 г.). «Структура поверхностного слоя Methanoplanus limicola, полученная с помощью комбинированного подхода электронной микроскопии и сканирующей туннельной микроскопии». J Struct Biol. 111 (2): 125–34. Дои:10.1006 / jsbi.1993.1043.
  13. ^ Трахтенберг С., Пинник Б., Кессель М. (2000). «Гликопротеиновый слой клеточной поверхности экстремального галофила Halobacterium salinarum и его связь с Haloferax volcanii: криоэлектронная томография замороженных клеток и проекционные исследования отрицательно окрашенных оболочек». J Struct Biol. 130 (1): 10–26. Дои:10.1006 / jsbi.2000.4215. PMID  10806087.
  14. ^ Sleytr UB, Egelseer EM, Ilk N, Pum D, Schuster B (2007). «S-слои как основной строительный блок в молекулярном конструктивном комплекте». FEBS J. 274 (2): 323–34. Дои:10.1111 / j.1742-4658.2006.05606.x. PMID  17181542.