= ОБЗОРЫ
581.1
ЭУКАРИОТИЧЕСКИЕ ПРОТЕИНКИНАЗЫ ЦИАНОБАКТЕРИЙ
© 2013 г. А. А. Зорина
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН, Москва Поступила в редакцию 07.11.2012 г.
Обобщены данные о роли серин-треониновых протеинкиназ эукариотического типа у представителей разных групп цианобактерий. Сведения приведены для двух наиболее изучаемых модельных видов (ЛпаЬаепа и 8упесЬосу&Ы), отличающихся друг от друга по своим морфологическим и экофизио-логическим параметрам, и охватывают весь период изучения указанной группы ферментов у ци-анобактерий.
Ключевые слова: ЛпаЬаепа $р. РСС 7120 - 8упесЬосу^Ъ $р. РСС 6803 - серин-треониновые протеинкиназы
ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2013, том 60, № 5, с. 625-633
УДК
Б01: 10.7868/80015330313040209
ВВЕДЕНИЕ
Бактерии заселили Землю около 3.8 млрд. лет тому назад, и в течение долгих 3.2 млрд. лет жизнь на нашей планете была исключительно микробной. За этот промежуток времени микроорганизмы достигли огромного разнообразия. Цианобак-терии являются уникальными представителями мира микроорганизмов. Их исключительность заключается в том, что они совмещают два важных биогеохимических процесса: фиксацию СО2 и атмосферного N2, кроме этого, они способны к дифференциации клеток, что вовсе не свойственно прокариотам.
Заселяя почти все освещаемые места обитания, обладая пластичным метаболизмом, в настоящее время они являются удобными модельными объектами для изучения целого ряда биологических процессов, таких как фотосинтез и его генетический контроль, дифференциация клеток и азотфиксация, адаптация к изменяющимся условиям окружающей среды [1].
Наличие широкого спектра генетических приемов и технических подходов не только облегчает использование представителей этой группы организмов в научных исследованиях, но и делает привлекательным использование цианобактерий в прикладных целях (например, для синтеза целого ряда специфических продуктов [2], разложе-
Сокращения: СТПК — серин-треониновые протеинкина-за/зы; СТПФ — серин-треониновые протеинфосфатаза/зы. Адрес для корреспонденции: Зорина Анна Алексеевна. 127276 Москва, Ботаническая ул., 35. Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН. Электронная почта: zorina.anna@yahoo.com
ния органических загрязнителей в поверхностных водах [3] или для получения биотоплива [4]).
СЕРИН-ТРЕОНИНОВЫЕ
ПРОТЕИНКИНАЗЫ ЦИАНОБАКТЕРИЙ
Разнообразие цианобактерий и их приспособленность к различным условиям обитания также отражаются на организации их сигнальных систем. Очевидно, что для адекватного ответа на стрессовое воздействие необходима быстрая передача сигналов от рецептора на регуляторные элементы, а это, в свою очередь, становится возможным благодаря такой динамичной и обратимой посттрансляционной модификации белков как фосфорилирование [5].
Фосфорилирование является центральным ре-гуляторным механизмом в клетках всех живых организмов, катализируемым весьма обширной группой ферментов — протеинкиназами. Они подразделяются на несколько групп в зависимости от их субстратной специфичности: ги-стидиновые, серин-треониновые и тирозино-вые киназы.
Долгое время протеинкиназы делились на так называемые про- и эукариотические. К первым традиционно относили гистидиновые протеин-киназы, которые входят в состав двухкомпонент-ных систем и действительно весьма широко распространены среди бактерий [6]. В геноме многоклеточной филаментообразующей цианобактерии ЛпаЬаепа Бр. РСС 7120 имеется 211 генов, кодирующих компоненты фосфатной сигнальной системы [7]; у одноклеточной цианобактерии Буп-есНосузИз Бр. РСС 6803 таких компонентов гораздо
меньше - 92 гена, из которых 47 кодируют гисти-динкиназы и 45 - регуляторы ответа [8]. Классическая двухкомпонентная регуляторная система состоит из сенсорной гистидинкиназы и родственного ей регулятора ответа [9]. Зачастую эти две составляющие входят в состав одного полипептида и образуют гибридную протеинкиназу [10].
Серин-треониновые и тирозиновые протеин-киназы как часть сигнал-трансдуцирующей системы рассматривались исключительно применительно к эукариотической клетке. Это деление было подвергнуто пересмотру в 1991 г. после обнаружения в геноме миксобактерии Myxococcus xanthus гена, кодирующего СТПК [11]. Она была названа Pkn1 и имела структурное сходство с про-теинкиназами млекопитающих [12]. Тем не менее, исторически закрепившееся название до сих пор часто употребляется в литературе для обозначения протеинкиназ описываемого типа. С момента обнаружения в геноме Myxococcus эукариотической протеинкиназы, благодаря многочисленным проектам по определению полных нуклеотидных последовательностей геномов и их последующему сравнению, выявлено присутствие гомологов генов СТПК у многих бактерий [13]. Так, в геноме Mycobacterium tuberculosis закодировано 11 генов [14], Streptomyces coelicolor A3(2) — 34 [15], а в геноме M. xanthus обнаружено почти 100 генов СТПК эукариотического типа [16]. Любопытно, что далеко не всегда отсутствие в геноме последовательностей, кодирующих ферменты данной группы, говорит об отсутствии в клетках СТПК. Примером может служить проте-инкиназа YihE из Escherichia coli. В геноме этого микроорганизма нет генов СТПК [17], однако в 1984 г. Enami и Ishihama [18] показали серин-трео-ниновую активность протеинкиназы в клетках. Позже с привлечением методов фосфопротеоми-ки были идентифицированы вероятные субстраты этого фермента [19]. Сегодня известно, что YihE относится к группе так называемых "атипичных" протеинкиназ [20], для которых характерна уникальная последовательность и трехмерная структура, отличная от канонических ферментов, которые принято называть киназами "эукариотического типа" [21].
Любопытным является тот факт, что особенно широко группа СТПК представлена в бактериях со сложным жизненным циклом, а именно среди стрептомицетов, а также среди миксо-, мико- и цианобактерий [22]. Эукариотические протеин-киназы произошли путем дивергенции от более просто устроенных прокариотических ферментов. Последние, хотя и весьма широко распространены в биологическом мире, однако гораздо менее изучены, нежели их эукариотические аналоги.
У цианобактерий первая протеинкиназа РкпА, фосфорилирующая белки по остаткам серина и треонина, была обнаружена в 1993 г. у филамент-ного штамма Anabaena 8р. РСС 7120 [23]. Среди цианобактерий распространение данного типа ферментов весьма неоднородно. Так, например, в геномах четырех одноклеточных штаммов (морской одноклеточный организм) Prochlorococ-cus и штамма Synechococcus 8р. WH8102 СТПК не обнаружены, тогда как в геномах ряда филаменто-образующих азотфиксирующих цианобактерий выявлено до 56 генов на геном [24], кодирующих эти ферменты (Nostoc punctiforme РСС 73102). В этом случае также хорошо прослеживается корреляция между уровнем организации, сложными механизмами адаптации к изменяющимся условиям окружающей среды и размером геномов цианобактерий, а также количеством в них генов, кодирующих СТПК. Например, известно, что морские просторы характеризуются более стабильными температурными условиями и количеством питательных веществ, по сравнению с пресными водоемами, где эти параметры подвержены достаточно сильным сезонным колебаниям [25]. В геномах наиболее изучаемых цианобактерий -Anabaena 8р. РСС 7120 [26] и Synechocystis 8р. РСС 6803 [27, 28] - обнаружено 52 и 12 генов СТПК соответственно.
СТРУКТУРА СЕРИН-ТРЕОНИНОВЫХ ПРОТЕИНКИНАЗ
Выделяют три структурные части СТПК, выполняющие различные функции: М-концевая доля, С-концевая доля и промежуточный линкер, в состав которого входит субдомен V, который обвивает обе доли [29]. Меньшая, М-концевая доля, включающая субдомены I—IV, в основном вовлечена в заякоривание и ориентацию нуклеотида. Эта доля имеет преимущественно антипараллельную Р-складчатую структуру, которая единственная в своем роде среди нуклеотид-связывающих белков. Большая С-концевая доля, в которую входят субдомены "У1а—XI, отвечает за связывание пептидного субстрата и инициацию переноса фосфора. Эта доля преимущественно представлена а-спиралями. Остатки субдомена V обвивают две доли, глубокая расщелина между которыми определяется как каталитический сайт [30].
Все СТПК характеризуются наибольшим консерватизмом в строении тех частей молекулы белка, которые охватывают АТФ-связывающий карман и ответственны за ориентацию аминокислотных участков, вовлеченных в реакцию переноса остатка фосфорной кислоты. Именно благодаря данному факту в свое время стало возможным обнаружение ферментов данной группы у M. xanthus [11], а позднее и у Anabaena [23].
ЭУKAPИОTИЧECKИE ПPОTEИHKИHAЗЫ ЦИAHОБAKTEPИЙ
627
В структуре каталитической части СТПК ци-анобактерий присутствуют 12 консервативных субдоменов и 10 высококонсервативных остатков аминокислот [31]. Кроме того, в отличие от эука-риотических ферментов этой группы у цианобак-терий наблюдаются добавочные консервативные остатки аминокислот в субдоменах I, III, V, Via, VIb, VII, VIII и IX [32].
Тем не менее, несмотря на значительное сходство с эукариотическими, СТПК бактерий имеют ряд принципиальных отличий в структуре. Они связаны с отсутствием двух расположенных в C-концевой части молекулы субдоменов. Первый из них - это активационный сегмент между Р9- и F-спиралями, который у эукариот может фосфо-рилироваться, в результате чего упорядочивается его организация в пространстве. Второй - специфический GHI-субдомен, следующий непосредственно за F-спиралью. Он вовлечен в связывание фермента с белковым субстратом и играет важную роль в регуляции активности протеинки-назы [33]. Важным является тот факт, что зачастую разные белки, обладая сходным набором консервативных вторичных элементов, тем не менее, могут значительно отличаться друг от друга их пространственным расположением [21].
КЛАССИФИКАЦИЯ СЕРИН-ТРЕОНИНОВЫХ ПРОТЕИНКИНАЗ ЦИАНОБАКТЕРИЙ
Представленная классификация основана на структурных характеристиках, в зависимости от которых цианобактериальные СТПК подразделяются на три основных семейства: ЦБ СТПК I, ЦБ СТПК II и ЦБ СТПК III.
Семейство I (ЦБ СТПК I) объединяет б
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.