A Comparative Analysis of DUF1471-containing Serratia marcescens SM6 Proteins
A Comparative Analysis of DUF1471-containing Serratia marcescens SM6 Proteins
Abstract
Bacteria use a variety of mechanisms to adapt to unfavourable environmental conditions. One such understudied mechanism is the secretion of extracellular metabolites, peptides and proteins. Proteins containing the DUF1471 domain are often synthesized under stress conditions, but little is known about their role in bacterial physiology. Most studies on DUF1471 domain proteins have been conducted on Salmonella Typhimurium and Escherichia coli. Such proteins have hardly been studied in Serratia marcescens. In this work, we performed a bioinformatic analysis of proteins containing DUF1471 domain, comparing them with similar proteins in three closely related species from the order Enterobacterales: Salmonella Typhimurium, Escherichia coli and Yersinia pestis. This analysis allowed to name the S. marcescens proteins and suggest their role in the physiology of the bacterium, thereby expanding our knowledge of DUF1471 domain-containing proteins and additional methods of pathogen control.
1. Введение
Одним из бактериальных клеточных компонентов, перспективных для изучения в связи с их консервативным статусом, широким распространением среди бактерий, а также до конца не изученной функцией, представляются белки, содержащие DUF-домены (Domains of unknown function). Установление функций белков с неизвестными доменами крайне важно для того, чтобы охарактеризовать все компоненты живых систем. Семейство низкомолекулярных секретируемых белков с консервативным доменом неизвестной функции DUF1471 было обнаружено более двадцати лет назад . Однако небольшое количество аминокислот в их составе затрудняет их обнаружение и последующий анализ по сравнению с более крупными белками. В настоящее время семейство DUF1471 включает несколько сотен белков, все из которых обнаружены у бактерий порядка Enterobacterales. Многие из этих видов бактерий содержат в своем геноме несколько генов, кодирующих паралоги белков с доменом DUF1471 . Белки с доменом DUF1471 часто активируются в ответ на неблагоприятные условия среды. Кроме того, отдельные исследования позволили установить роль этих белков в колонизации биотических и абиотических поверхностей , , , . Однако на текущий момент понимание функций, выполняемых белками с DUF1471 доменом, весьма ограничено. Serratia marcescens – оппортунистический патоген из порядка Enterobacterales, который вызывает заболевания центральной нервной системы, инфекции мочевыводящих путей, пневмонию и другие респираторные заболевания, инфекции кровотока, и многие другие типы раневых инфекций . S. marcescens обладает природной устойчивостью к ряду антибиотиков, включая полимиксины, в связи с чем необходимо найти альтернативные способы борьбы с этой бактерией, не зависящие от применения антибиотиков . Одним из таких способов может быть воздействие на дополнительные мишени для ингибирования роста бактерии, а белки, содержащие домен DUF1471, могут быть одной из таких мишеней.
2. Методы и принципы исследования
Для анализа репертуара белков с DUF1471 доменом использовали геномные последовательности S. Typhimurium LT2 , Y. pestis KIM , E. coli K-12 , S. marcescens SM6 , доступные в базе данных GenBank (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/genbank/) под номерами AE006468.2, AE009952.1, NC_000913.3 и NZ_SDUW00000000.1, соответственно. Поиск функций, связанных с каждым из идентифицированных белков, проводили по названию локусов в базе данных PubMed (https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/). Для определения предположительной функции белков с DUF1471 доменом у S. marcescens провели анализ гомологии DUF1471-содержаших белков S. marcescens с использованием программного обеспечения BLAST (https://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi).
3. Основные результаты
Анализ геномных последовательностей показал, что несмотря на то, что белки с DUF1471 доменов присутствуют в каждом виде бактерий, их количество сильно варьирует. Так, геном S. marcescens SM6 содержит 14 генов, кодирующих белки, содержащие домен DUF1471. У Salmonella Typhimurium LT2 таких белков 11, у Yersinia pestis KIM – пять, а у Escherichia Coli K-12 – десять (Таблица 1).
Таблица 1 - Белки с доменом DUF1471 грамотрицательных бактерий порядка Enterobacterales
Организм | Локус | Белок | Размер, а.о. | Известная функция | Ссылки на работы |
Salmonella Typhimurium LT2 | STM0082 | SrfN | 96 | Необходим для вирулентности
| , , |
STM0366 | YahO | 91 | Необходим для вирулентности. Экспрессия повышается в средах с низким рН | , | |
STM0565 | STM0565 | 78 | Экспрессия понижается в средах с добавлением перекиси водорода | ||
STM0823 | YbiJ | 86 | Активируется в присутствии DHMA (3,4-дигидроксиминдальной кислоты). Может участвовать в приобретении железа |
| |
STM1214 | YcfR | 85 | Известен как белок множественной устойчивости к стрессу. Делеция ycfR вызывает структурные изменения липополисахаридов и дестабилизирует целостность оболочки. Мутант, лишенный гена ycfR также имеет сниженную подвижность и его вирулентность снижается. Необходим для образования биопленок | , , , , | |
STM1478 | SssB/YdgH | 314 | Участвует в патогенезе. У мутанта с делецией гена ydgH/sssB значительно ослабляется вирулентность у мышей | ||
STM3361 | YhcN | 87 | Активируется при стрессе, индуцированным хлором | ||
STM3362 | STM3362 | 88 | Функция неизвестна |
| |
STM4378 | YjfN | 106 | Функция неизвестна |
| |
STM4379 | BsmA | 109 | Функция неизвестна |
| |
STM4389 | YjfY | 91 | Функция неизвестна |
| |
Yersinia pestis KIM | y3909 | AAM87453.1 | 92 | Транскрипция гена y3909 значительно увеличивается при кислом pH 4,5, но делеция y3909 не снижает толерантность к кислоте | |
y1667 | AAM85236.1 | 86 | Экспрессия y1667 увеличивается при заражении блох. Делеция гена снижает способность формировать биопленки при пониженных значениях pH среды | ||
y0640 | AAM84228.1 | 53 | Функция неизвестна |
| |
y2136 | AAM85698.1 | 317 | Функция неизвестна |
| |
y0666 | AAM84254.1 | 87 | Необходим для адаптации к стрессу, вызванному низким pH среды. Транскрипция y0666 значительно увеличивается с повышением кислотности среды | ||
Escherichia coli K-12 | b4199 | YjfY | 91 | Повышенно экспрессируется при формировании биопленок в моче человека | |
b0329 | YahO | 91 | Делеция гена yahO увеличивает чувствительность к рентгеновскому и ультрафиолетовому излучению. Может быть вовлечен в устойчивость к высоким значениям pH среды | , | |
b0806 | McbA (YbiM) | 86 | Экспрессия McbA репрессируется McbR. Удаление McbR делает возможной экспрессию, что приводит к перепроизводству колановой кислоты, вызывая мукоидию, что предотвращает образование биопленок | ||
b4189 | BsmA (YjfO) | 109 | Влияет на образование биопленок в ответ на стресс | ||
b0802 | YbiJ | 86 | У мутантов с удаленным геном YbiJ существенно снижается способность формировать биопленки в человеческой моче. Снижается подвижность на чашках с агаром, содержащим мочу | ||
b0303 | RclB | 78 | Необходим для выживания в условиях стресса, вызванного хлором в среде | ||
b3238 | YhcN | 87 | Связан с реакцией на окислительный и кислотный стресс и с образованием биопленок | ||
b1112 | BhsA (YcfR) | 85 | Необходим для колонизации поверхности листьев салата и формирования биопленок. Индуцируется воздействием перекиси водорода и во время роста биопленок и при воздействии различных факторов стресса, включая кадмий, медь и тепловой шок | , , | |
b4188 | YjfN | 91 | Положительно регулируется в ответ на стресс и является активатором DegP, консервативной протеазы, служащей для удаления неправильно уложенных белков в периплазме. Суперэкспрессия YjfN повышает жизнеспособность клеток при стрессе, вызванном неправильно уложенными белками | ||
b1604 | YdgH | 314 | Функция неизвестна |
| |
Serratia marcescens SM6 | EG355_00520 | TBU70968 | 87 | Функция неизвестна |
|
EG355_00525 | TBU70861 | 87 | Функция неизвестна |
| |
EG355_00635 | TBU70881 | 88 | Функция неизвестна |
| |
EG355_00650 | TBU70884 | 102 | Функция неизвестна |
| |
EG355_00655 | TBU70885 | 91 | Функция неизвестна |
| |
EG355_05865 | TBU70217 | 86 | Функция неизвестна |
| |
EG355_06280 | TBU70295 | 85 | Функция неизвестна |
| |
EG355_06285 | TBU70296 | 85 | Функция неизвестна |
| |
EG355_06285 | TBU68018 | 316 | Функция неизвестна |
| |
EG355_08300 | TBU70671 | 94 | Функция неизвестна |
| |
EG355_09650 | SrfN (TBU68088) | 86 | Необходим для выживания бактерии в условиях кислотного и оксидативного стрессов | ||
EG355_19345 | TBU67220 | 94 | Функция неизвестна |
| |
EG355_21810 | TBU66869 | 86 | Функция неизвестна |
|
Проведенный анализ показал, что 13 из 14 белков S. marcescens имеют гомологов у S. Typhimutium LT2, все 14 – у E. coli K-12, а 6 – у Y. pestis KIM (Таблица 2).
Таблица 2 - Сравнение белков S. marcescens, содержащих DUF1471 домен с белками Salmonella Typhimutium LT2, Escherichia coli K-12 MG1655 и Yersinia pestis KIM10+
Локус | Белок | Размер, а.о. | Степень гомологии известными DUF1471-содержащими белками | Предлагаемое название | ||
Salmonella Typhimutium LT2 | Escherichia сoli K-12 MG1655 | Yersinia pestis KIM10+ | ||||
EG355_00520 | TBU70968 | 87 | 56% идентичности, 74% сходства к белку YhcN (STM3361); 49% идентичности, 68% сходства к белку STM3362; 45% идентичности, 57% сходства к белку SrfN (STM0082); 30% идентичности, 48% сходства к белку YahO (STM0366) | 61% идентичности, 79% сходства к белку YhcN (b3238); 41% идентичности, 63% сходства к белку YjfY (b4199); 36% идентичности, 56% сходства к белку McbA (b0806)
| 38% идентичности, 56% сходства к белку AAM87453.1 (y3909) | YhcN |
EG355_00525 | TBU70861 | 87 | 53% идентичности, 75% сходства к белку YhcN (STM3361); 49% идентичности, 68% сходства к белку STM3362; 42% идентичности, 59% сходства к белку SrfN (STM0082); 35% идентичности, 54% сходства к белку YahO (STM0366); 36% идентичности, 54% сходства к белку YdgH (STM1478) | 54% идентичности, 77% сходства к белку YhcN (b3238); 42% идентичности, 61% сходства к белку YjfY (b4199) | 36% идентичности, 59% сходства к белку AAM87453.1 (y3909) | YhcN_2 |
EG355_00635 | TBU70881 | 88 | 32% идентичности, 57% сходства к белку YhcN (STM3361) | 31% идентичности, 56% сходства к белку YhcN (b3238); 34% идентичности, 52% сходства к белку YjfN (b4188) | Значительной гомологии не обнаружено | YhcN_3 |
EG355_00650 | TBU70884 | 102 | 57% идентичности, 67% сходства к белку BsmA (STM4379); 39% идентичности, 44% сходства к белку YjfN (STM4378) | 57% идентичности, 69% сходства к белку BsmA (b4189); 37% идентичности, 48% сходства к белку YjfN (b4188) | 62% идентичности, 81% сходства к белку AAM84228.1 (y0640); 36% идентичности, 54% сходства к белку AAM87453.1 (y3909) | BsmA |
EG355_00655 | TBU70885 | 91 | 54% идентичности, 70% сходства к белку YjfN (STM4378) | 48% идентичности, 60% сходства к белку YjfN (b4188) | Значительной гомологии не обнаружено | YjfN |
EG355_05865 | TBU70217 | 86 | 52% идентичности, 65% сходства к белку BhsA (STM1214); 58% идентичности, 66% сходства к белку YbiJ (STM0823) | 51% идентичности, 65% сходства к белку BhsA (b1112) | Значительной гомологии не обнаружено | BhsA_2 |
EG355_06280 | TBU70295 | 85 | 54% идентичности, 65% сходства к белку BhsA (STM1214); 36% идентичности, 64% сходства к белку YhcN (STM3361); 28% идентичности, 48% сходства к белку YahO (STM0366) | 55% идентичности, 68% сходства к белку BhsA (b1112); 29% идентичности, 50% сходства к белку YahO (b0329) | 29% идентичности, 52% сходства к белку AAM87453.1 (y3909) | BhsA_3 |
EG355_06285 | TBU70296 | 85 | 55% идентичности, 70% сходства к белку BhsA (STM1214); 53% идентичности, 72% сходства к белку YbiJ (STM0823) | 54% идентичности, 69% сходства к белку BhsA (b1112) | Значительной гомологии не обнаружено | BhsA |
EG355_06285 | TBU68018 | 316 | 70% идентичности, 83% сходства к белку YdgH (STM1478); 28% идентичности, 59% сходства к белку YhcN (STM3361); 29% идентичности, 52% сходства к белку STM3362 | 70% идентичности, 83% сходства к белку YdgH (b1604) | Значительной гомологии не обнаружено | YdgH |
EG355_08300 | TBU70671 | 94 | 43% идентичности, 57% сходства к белку YjfN (STM4378); 29% идентичности, 59% сходства к белку YdgH (STM1478) | 36% идентичности, 47% сходства к белку YjfN (b4188); 35% идентичности, 60% сходства к белку YjfY (b4199) | 35% идентичности, 51% сходства к белку AAM84228.1 (y0640) | YjfN_2 |
EG355_09650 | TBU68088 | 86 | 60% идентичности, 70% сходства к белку YbiJ (STM0823); 38% идентичности, 54% сходства к белку YhcN (STM3361) | 57% идентичности, 68% сходства к белку YbiJ (b0802) | Значительной гомологии не обнаружено | YbiJ |
EG355_19345 | TBU67220 | 94 | 47% идентичности, 68% сходства к белку SrfN (STM0082); 42% идентичности, 62% сходства к белку YahO (STM0366); 38% идентичности, 54% сходства к белку YhcN (STM3361); 31% идентичности, 55% сходства к белку STM3362 | 39% идентичности, 61% сходства к белку YahO (b0329); 38% идентичности, 54% сходства к белку YhcN (b3238) | 60% идентичности, 74% сходства к белку AAM87453.1 (y3909) | SrfN |
EG355_21810 | TBU66869 | 86 | 45% идентичности, 62% сходства к белку BhsA (STM1214); 48% идентичности, 63% сходства к белку YbiJ (STM0823) | 45% идентичности, 62% сходства к белку BhsA (b1112); 38% идентичности, 56% сходства к белку McbA (b0806); 48% идентичности, 63% сходства к белку YbiJ (b0802); 34% идентичности, 51% сходства к белку YhcN (b3238) | Значительной гомологии не обнаружено | YbiJ_2 |
EG355_21825 | TBU66872 | 70 | Значительной гомологии не обнаружено | 36% идентичности, 52% сходства к белку YhcN (b3238) | Значительной гомологии не обнаружено |
|
В каждом виде бактерий есть белок гораздо большего размера, чем все остальные (STM1478 (SssB/YdgH) у S. Typhimurium, y2136 у Y. pestis, b1604 (YdgH) у E. coli и TBU68018 у S. marcescens. В нем содержатся целых три DUF1471 домена. У S. marcescens TBU68018 имеет размер 316 а.о., а домены располагаются от 34 до 89 а.о.; от 119 до 174 а.о.; от 260 до 315 а.о. Он имеет высокую и одинаковую степень гомологичности белкам STM1478 и b1604 у S. Typhimurium и E. coli, соответственно. Эти белки имеют общее название YdgH. YdgH S. Typhimurium участвует в патогенезе. Мутант, в котором ген ydgH/sssB инактивирован, значительно ослаблен в отношении вирулентности у мышей через один день после заражения . Кроме того, удаление гена ydgH в Serratia marcescens повышает восприимчивость бактерии к антибиотику цефокситину, а мутанты, лишенные гена ydgH, обладают уменьшенной восприимчивостью к нескольким цефалоспоринам третьего поколения, и, напротив, повышенной восприимчивостью к катионным и анионным детергентам .
Белок TBU70968 наиболее приближен к белкам YhcN у E. coli (b3238) и S. Typhimurium (STM3361). У всех трех белков DUF1471 домен смещен от N-конца приблизительно на 30 аминокислотных остатков и занимает около 50 а.о. Белок YhcN активируется у S. Typhimurium при стрессе, индуцированным хлором, а у E. coli YhcN связан с реакцией на окислительный и кислотный стресс и с образованием биопленок , . Кроме того, белки TBU70861, TBU70881 также наибольший процент гомологии имеют к белкам YhcN, но при этом меньший, чем у TBU70968, в связи с чем мы дали им названия YhcN_2 и YhcN_3. Предположительно, они являются паралогами YhcN в геноме S. marcescens. Примечательно, что, хотя S. marcescens относится к семейству Yersiniaceae, белки с доменом DUF1471 S. marcescens и Y. pestis имеют наименьший процент идентичности, за исключением двух, а именно: TBU70884 (S. marcescens) и AAM84228.1 (y0640); TBU67220 (S. marcescens) и AAM87453.1 (y3909). Вероятно, это связано с распространением белков с DUF1471 доменом у Y. pestis, где их значительно меньше, а также с образом жизни S. marcescens, Salmonella и E. coli, которые, в отличие от Y. pestis могут колонизировать разнообразные поверхности.
TBU70884 имеет наибольший процент идентичности с белком Y. pestis y0640, хотя размер белков отличается на 49 аминокислотных остатков: 102 а.о. и 53 а.о., соответственно. Гомология в данном случае основывается исключительно на DUF1471 домене, который составляет практически весь размер белка y0640 у Y. pestis (52 а.о.) и 54 а.о. из 102 а.о. у S. marcescens. О роли белка y0640 в физиологии Y. pestis ничего неизвестно кроме того, что он относится к семейству белков YhcN . Кроме того, TBU70884 на 57% идентичен белку E. coli BsmA. У E. coli этот белок влияет на образование биопленок в ответ на стресс .
Два белка у S. marcescens (TBU70885 и TBU70671) оказались наиболее гомологичны белку S. Typhimurium YjfN (STM4378) и получили названия YjfN и YjfN_2, соответственно, на основании степени идентичности. Все три белка имеют DUF1471 домен размером в 55 а.о., примыкающий к C-концу. У E. coli YjfN положительно регулируется в ответ на стресс и является активатором DegP, консервативной протеазы, служащей для удаления неправильно уложенных белков в периплазме. Суперэкспрессия YjfN повышает жизнеспособность клеток при стрессе, вызванном неправильно уложенными белками .
Три белка S. marcescens имеют наибольший процент идентичности с белком BhsA (TBU70296, TBU70217 и TBU70295), причем как к этому белку у Salmonella, так и у E. coli. TBU70295, TBU70296, STM1214 (BhsA) и b1112 (BhsA) имеют одинаковый размер в 85 а.о. и одинаковое расположение домена (с 33 по 84 а.о.). TBU70217 отличается от них по размеру, и по расположению (сдвиг к C-концу) на 1 а.о. Они получили названия BhsA, BhsA_2 и BhsA_3, соответственно. У E.coli было показано, что ген bhsA, вместе с еще одним геном - ybiM (mcbA), необходимы для колонизации поверхности листьев салата и формирования биопленок . Как bhsA, так и yhcN индуцируются воздействием перекиси водорода на E. coli K-12 . Кроме того, экспрессия bhsA индуцируется во время роста биопленок и при воздействии различных факторов стресса, включая кадмий, медь и тепловой шок , . Кроме того, у мутантов E. coli K-12, лишенных bhsA или yhcN, изменяется процесс формирования биопленок, и они более чувствительны к перекиси водорода и кадмию , , что позволяет предположить, что эти белки могут играть роль в общей реакции на стресс. У энтерогеморрагического штамма E. coli ген bhsA, вместе с yhcN повышенно регулировались при выращивании штамма в среде, содержащей метаболиты микробиоты кишечника человека, таким образом отвечая на оксидативный стресс .
Белки TBU68088 и TBU66869 получили названия YbiJ и YbiJ_2, соответственно. Все они, кроме TBU66869, одного размера и с одинаковым расположением домена. Домен TBU66869 занимает на 7 а.о. больше. У E. coli YbiJ, вместе с белками YhaK и YhcN, играет роль в образовании биопленок и подвижности бактерии. У мутантов с удаленным геном ybiJ существенно снижается способность формировать биопленки в человеческой моче и подвижность на чашках с агаром, содержащим мочу .
Гомолог белка TBU67220 (SrfN) у S. Typhimurium принимает участие в патогенезе, а его делеция ослабляет способность бактерии заражать мышей , . SrfN Serratia marcescens SM6 необходим для выживания бактерии в условиях кислотного и оксидативного стрессов .
Особый интерес представляет белок TBU66872. В нем содержится 2 домена: от 1 до 28 а.о. и от 46 до 70 а.о., и аналогов ему, кроме YhcN (b3238) у E. coli, у близкородственных организмов не нашлось. Степень же идентичности b3238 недостаточно высока, чтобы однозначно дать этому белку наименование.
4. Заключение
Таким образом, проведенный нами анализ позволил соотнести белки с DUF1471 доменом S. marcescens SM6 с наиболее изученными аналогичными белками у трех близкородственных видов Salmonella Typhimutium LT2, Escherichia coli K-12 MG1655 и Yersinia pestis KIM10+ и дал возможность предположить их возможную функцию.