МИКРОБИОЛОГИЯ, 2015, том 84, № 4, с. 391-403
= ОБЗОРЫ =
УДК 577.25
БАКТЕРИАЛЬНЫЕ ФОТОСЕНСОРНЫЕ БЕЛКИ: РЕГУЛЯТОРНЫЕ
ФУНКЦИИ И ПРИМЕНЕНИЕ В ОПТОГЕНЕТИКЕ © 2015 г. Г. Я. Фрайкин*, М. Г. Страховская*, **, 1, Н. С. Беленикина*, А. Б. Рубин*
*Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова **ФНКЦспециализированных видов медицинской помощи и медицинских технологий ФМБА России, Москва
Поступила в редакцию 21.10.2014 г.
Рассматриваются три класса фотосенсорных регуляторных белков, идентифицированных в геномах многочисленных фототрофных и нефотосинтезирующих бактерий: чувствительные к УФ-А/сине-му свету ВЬир- и ЬОУ-домен-содержащие белки и чувствительные к красному/дальнему красному свету фитохромы. Восприятие света этими хромопротеинами обеспечивается присоединяемыми к их фотосенсорным доменам флавиновыми и билиновыми (у фитохромов) хромофорами. Бактериальные фоторецепторы содержат также различные эффекторные домены, обладающие ферментативными, ДНК-связывающими и другими функциями, составляя модульные системы, переключаемые светом. В последние годы достигнут прогресс в раскрытии механизмов фотоактивации таких систем. Они основаны на индуцированных фотореакциями хромофоров изменениях доменных структур, сопровождаемых сигнальными каскадами, которые могут контролировать фотофизиологические ответы клеток. Полученная новая информация имеет важное значение не только для понимания фундаментальных механизмов восприятия света и трансдукции сигнала бактериальными фотосенсорными белками, но и для создания на их основе фотопереключаемых ферментов и систем светоиндуци-бельной экспрессии генов, которые начали применяться в оптогенетике — новой области клеточной биологии и биотехнологии. В этом обзоре мы фокусируем внимание на структурных аспектах передачи сигнала светоактивированными фоторецепторами и их регуляторных функциях у бактерий, а также на некоторых недавних достижениях в использовании ЬОУ- и ВЬИЬ-фотосенсоров в оптогенетике для регуляции биологических процессов.
Ключевые слова: бактериальные фитохромы, ЬОУ- и ВЬиЬ-фоторецепторы, трансдукция сигнала, регуляция, оптогенетика.
DOI: 10.7868/S0026365615040084
ВВЕДЕНИЕ
Свет является важным адаптационным стимулом, и живые организмы приспосабливают свой метаболизм к условиям освещенности в окружающей среде, воспринимая световые сигналы и реагируя на них изменением физиологических функций. Такое детектирование световых сигналов осуществляется посредством хромопротеино-вых фоторецепторов, которые трансформируют их в биохимические сигнальные каскады, вызывающие физиологические клеточные ответы. Сенсорами фотонов у фоторецепторных белков служат молекулы хромофоров, фотопревращение которых инициирует структурные изменения в фотосенсорном домене с последующей трансдук-цией сигнала к эффекторным доменам фоторецепторов или взаимодействующим белкам, вызывая модуляцию их активности.
1 Автор для корреспонденции (e-mail: marstr@biophys.msu.ru).
У растений с наиболее развитой системой рецепции света, ответственной за реализацию разнообразных фотоответов, функционирует несколько типов регуляторных фоторецепторов, спектральная чувствительность которых позволяет контролировать все области оптического спектра. К ним относятся фитохромы — сенсоры красного (К)/дальнего красного (ДК) света (600—750 нм) [1], криптохромы [2] и фототропины [3] — рецепторы УФ-А/синего света (320—500 нм), а также белок UVR8 — сенсор фотонов в УФ-B области (290—320 нм) [4]. В отличие от фитохромов, открытых более пятидесяти лет назад, сенсоры синего и УФ-света удалось идентифицировать и охарактеризовать на молекулярном уровне только в последнее десятилетие благодаря развитию новых методов, основанных на выделении и экспрессии генов, кодирующих отмеченные фоторе-цепторные белки.
К настоящему времени на основе геномной идентификации гомологи растительных фоторе-
цепторов найдены и изучены у широкого круга организмов, включая многочисленные прокариоты (цианобактерии, фототрофные и нефотосин-тезирующие бактерии) [5—8] и грибы [9, 10]. У прокариот идентифицированы три основные типа регуляторных фоторецепторов: фитохромы, содержащие консервативный фотосенсорный модуль, ковалентно присоединяющий линейные тетрапир-рольные билиновые хромофоры [5]; родственные фототропину рецепторные белки с высококонсервативным LOV(Light, Oxygen, Voltage)-доменом, связывающим флавиновый хромофор (FMN), и BLUF(Blue Light sensing Using FAD)-доменные белки [11] (впервые такой сенсор в форме фотоактивированной аденилилциклазы — PAC, найден у Euglena gracilis).
Анализ большого числа секвенированных геномов прокариот показывает, что довольно много бактерий из разных филогенетических групп содержат гены всех трех типов фоторецепторных белков. У ряда бактериальных видов чаще встречаются гены фитохромов и LOV-доменных белков, а археи и некоторые виды бактерий обладают генами, кодирующими исключительно LOV-белки [12]. У прокариотических фоторецепторов хромо-фор-содержащие фотосенсорные модули тесно связаны с разнообразными эффекторными доменами, в том числе проявляющими функциональную активность, которая может изменяться вследствие фотопревращений хромофоров (например, гистидинкиназы, циклазы, ДНК-связывающие домены и др.) [12]. Важно отметить, что у сенсоров бактерий сохранены такие же фотохимические реакции билиновых и флавиновых хромофоров, как и у соответствующих растительных фоторецепторов. Эти открытия подтверждают выдвинутую еще в 1970-е годы гипотезу о том, что способность живых организмов реагировать на свет является древним и универсальным свойством, связанным с возникновением и развитием фотосенсорных рецепторов, между которыми у эволюционно отдаленных групп организмов сохранилась тесная генетическая связь [13].
В последнее время в понимании механизмов восприятия света и трансдукции сигнала бактериальными фоторецепторами достигнут значительный прогресс, выявлены и изучены опосредуемые ими светозависимые биохимические и физиологические процессы. В настоящем обзоре наряду с анализом фундаментальных аспектов функционирования фоторецепторов бактерий рассматриваются некоторые недавние достижения в применении LOV- и BLUF-фотосенсоров в новой области клеточной биологии и биотехнологии — оптогенетике.
ФИТОХРОМНЫЕ ФОТОРЕЦЕПТОРЫ К/ДК-СВЕТА
Фитохромы представляют собой билипротеи-новые фоторецепторы, впервые найденные у высших растений, где они регулируют фотоморфогенез и ряд других зависимых от К/ДК-света биологических процессов [1]. Длительное время считалось, что фитохромы являются исключительно растительными фоторецепторами. Однако открытие гомологов фитохромов у прокариот, включая нефотосинтезирующие бактерии, и грибов показало несостоятельность такого представления и подтвердило полученные в ранних исследованиях сведения о возможном существовании фитохромов у микроорганизмов [14].
Принцип действия фитохромов основан на фотоконверсии между двумя взаимопревращаю-щимися формами, поглощающими К-свет (Pr) и ДК-свет (Pfr). Pr-Pfr-конверсия связана с обратимой Z-E-фотоизомеризацией билиновых хромофоров по 15/16 двойной связи [15]. Конкретная природа хромофоров отличается для разных субсемейств фитохромов: растительные и ци-анобактериальные фитохромы встраивают фито-хромобилин (РФВ) и фикоцианобилин (PCB), а фитохромы неоксигенных фототрофных и нефо-тосинтезирующих бактерий, а также грибов — биливердин IXa (BV). Билиновые хромофоры локализованы в консервативном фотосенсорном модуле, содержащем PAS (PER, ARNT, SIM)-, GAF (cGMP phosphodiesterase, adenylate cyclase, FhlA)- и PHY (phytochrome-specific)-домены (рис. 1а), и погружены внутрь GAF-домена, образуя ковалентную связь с консервативным цистеиновым остатком — либо в этом домене ^ФВ^СВ-хромо-форы), либо в PAS-домене (BV-хромофоры) [15].
На основе комплексных спектроскопических исследований и анализа впервые полученных кристаллических структур фотосенсорного модуля бактериофитохромов собрана детальная информация о конформационных изменениях билиновых хромофоров при их фотоизомеризации, а также о динамических структурных изменениях в хромофор-белковых взаимодействиях при Pr-Pfr-фотоконверсии [16—20]. Кон-формационные изменения белка в этом процессе связаны с инициируемой фотоизомеризацией хромофора реорганизацией определенных взаимодействующих с ним консервативных аминокислотных остатков (а. о.) [19]. Эти структурные изменения обеспечивают передачу светоиндуци-рованного сигнала от фотосенсорного модуля фитохромов к С-терминальным доменам, которые ответственны за сигнальную активность фоторецепторов [21]. У многих бактериальных фитохро-мов фотосенсорный модуль соединен с разными эффекторными доменами, наиболее часто — с ги-стидин (Н)-киназным или GGDEF/EAL-доме-
(а)
PAS GAF PHY Н-КИНАЗА
PAS GAF PHY GGDEF EAL
(б) (в)
Рис. 1. Упрощенная доменная структура некоторых выбранных функционально активных (а) фитохромных,
(б) BLUF- и (в) LOV-фоторецепторных белков бактерий. Сверху вниз: (а) Synechocystis sp. (Cph2) и Calothrix sp. (CphA, CphB); Synechocystis sp. (Cph2) и Rhodobactersphaeroides (BphGl); (б) Synechocystis sp. (PixD) и Rhodopseudomonaspalustris (PapB); Klebsiella pneumonia (BlrPl) и Escherichia coli (YCgF); Beggiatoa sp. (bPAC/BlaC); R. sphaeroides (AppA);
(в) Pseudomonasputida (PpSBl); Caulobacter crescentus (LovK), Brucella abortus (LOV-HK) и P. syringae; Synechococcus elon-gatus; Bacillus subtilis (YtvA); Erythrobacter litoralis (EL222). В скобках указаны общепринятые названия белков. PAS— GAF-PHY-, BLUF- и LOV-фотосенсорные домены, связанные с эффекторными доменами: H-киназа — гистидинки-назный домен; GGDEF/EAL-домены участвуют в синтезе и гидролизе c-di-GMP в качестве дигунилатциклазы и фос-фодиэстеразы; AC — аденилатциклазный домен; SCHIC — Sensor Containing Heme Instead of Cobalamin; STAS — sulfate transporter/antisigma-factor antagonist; HtH — Helix-turn-Helix regulatory protein, DNA-binding [6, 12, 33].
нами (рис. 1а), которые в активированном состоянии опосредуют трансдукцию светового сигнала в биохимические сигнальные каскады [6, 12].
Первыми най
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.