МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ, 2015, том 49, № 5, с. 832-845
БИОИНФОРМАТИКА
УДК 577.2
КОМПЬЮТЕРНЫЙ АНАЛИЗ Cys-ПЕТЕЛЬНОГО ЛИГАНД-УПРАВЛЯЕМОГО ИОННОГО КАНАЛА ЗЕЛЕНОЙ ВОДОРОСЛИ
Chlamydomonas reinhardtii*
© 2015 г. A. Mukherjee*
Department of Botany, Dinabandhu Mahavidyalaya, Bongaon, North 24 Parganas — 743235, West Bengal, India
Поступила в редакцию 06.07.2014 г.
Принята к печати 06.10.2014 г.
Физиологическая роль ряда нейромедиаторов растений хорошо известна. Есть сообщения о рецепторах глута-мата из растений, а о рецепторах ацетилхолина, серотонина и гамма-аминомасляной кислоты до сих пор нет сведений. У животных эти нейромедиаторы действуют с помощью одного из классов лигандсвязывающих ионных каналов, называемых Cys-петельными рецепторами, которые играют важную роль в быстрой синаптиче-ской передаче. У них есть два домена, а именно: лигандсвязывающий (Pfam: PF02931) и трансмембранный (Pfam: PF02932) домены управляемого нейромедиаторами ионного канала. Cys-петельные рецепторы также известны у прокариот. Но Cys-петельных рецепторов из растений еще не охарактеризовано. В этом исследовании проведен поиск белков с такими двумя доменами у растений с секвенированными геномами в базе данных Ensembl, обнаружен единственный белок (LIC1) из водоросли Chlamydomonas reinhardtii. Поиск с помощью алгоритма BLAST и профиля НММ в базах данных PDB-структур показал, что этот белок подобен Cys-пе-тельному рецептору животных и эукариот, хотя характерные цистеиновые остатки Cys-петли в нем отсутствуют. Физико-химический анализ и анализ последовательности указывают на то, что LIC1 - анионный рецептор. Модель этого белка создана с помощью моделирования на основании гомологии с никотиновым ацетилхоли-новым рецептором Torpedomarmorata. Характерный внеклеточный домен ECD и трансмембранный домен TMD хорошо структурированы, а внутриклеточный домен сформирован плохо. Детальная характеристика Cys-петельного рецептора из царства растений представлена впервые.
Ключевые слова: ионный канал, домен, дендрограмма, гомологическое моделирование, гидрофобность, гибкость, электростатический потенциал.
COMPUTATIONAL ANALYSIS OF ACys-LOOP LIGAND GATED ION CHANNEL FROM THE GREEN ALGA Chlamydomonas reinhardtii, by A. Mukherjee* (Department of Botany, Dinabandhu Mahavidyalaya, Bongaon, *e-mail: ashutoshcaluniv@gmail.com; 743235 West Bengal, India). Plants possess several neurotransmitters with well-known physiological roles. Currently only receptors for glutamate were reported to be found in plants, while receptors for acetylcholine, serotonin and GABA have not yet been reported. In animals, these neurotransmitters act via one class of ligand binding ion channels called Cys-loop receptors which play a major role in fast synaptic transmission. They show the presence of two domains namely Neurotransmitter-gated ionchannel ligand-binding domain (Pfam: PF02931) and Neurotransmitter-gated transmembrane domain (Pfam: PF02932). Cys-loop receptors are also known in prokaryotes. No cys-loop receptor has been characterized from plants yet. In this study, the Ensembl plants database was searched for proteins with these two domains in the sequenced plant genomes, what resulted in only one protein (LIC1) from the alga Chlamydomonas reinhardtii. BLAST and profile HMM searches against the pdb structure database showed that this protein is related to animal and prokaryotic cys-loop receptors, although the cysteine residues characteristic of the cys-loop are absent. Physico-chemical and sequence analysis indicate that LIC1 is an anionic receptor. A model of this protein was generated using homology modeling based on a nicotinic acetylcholine receptor of Torpedo marmorata. The characteristic extracellular domain (ECD) and transmembrane domains (TMD) are well structured but the intercellular region is poorly formed. This is the first report on a detailed characterization of a cys-loop receptor from the plant kingdom.
Keywords: ion channel, domain, dendrogram, homology modeling, hydrophobicity, flexibility, electrostatic potential. DOI: 10.7868/S0026898415050122
Принятые сокращения: GLRs — ионотропные глутаматные рецепторы; P2XRs — пуринергические рецепторы Р2Х; nAChRs — никотиновые рецепторы ацетилхолина; 5-HT3Rs — рецепторы серотонина 3-его типа; ZACs — цинкактивированные каналы, ГАМК — у-аминомасляная кислота; GABAARs — рецепторы у-аминомасляной кислоты типа А; GlyRs — глициновые рецепторы; GRAVY — генеральная средняя гидропатичность; TMD, ECD и ICD — трансмембранный, внеклеточный и внутриклеточный домены соответственно; а.о. - аминокислотный остаток.
# Текст представлен автором на английском языке.
* Эл. почта: ashutoshcaluniv@gmail.com
ВВЕДЕНИЕ
Широкий спектр организмов из трех основных суперцарств жизни использует поток ионов через возбудимые клеточные мембраны в качестве механизма передачи сигналов [1]. Направленный поток ионов через клеточные мембраны реализуется в широком диапазоне ионных каналов, которые могут управляться набором сигналов, включающим напряжение, механические силы или химические первичные мессенджеры [2]. Ион-зависимый сигнальный механизм имеет особое значение для функционирования нервной системы животных, где распространение сигналов по нейрональным процессам и передача сигналов от нейронов или рецепторных клеток к их мишеням опосредуется действием ионных каналов [1]. У животных представлено обширное семейство ли-гандуправляемых ионных каналов, в том числе ионотропные глутаматные рецепторы (ОЬЯз), пуринергические рецепторы Р2Х (Р2ХЯз) и суз-петельные рецепторы [3].
Семейство Суз-петельных лигандзависимых ионных каналов включает 5 типов каналов, а именно: никотиновые рецепторы ацетилхолина (пАСИЯз), рецепторы серотонина (5-НТ3Яз) 3-его типа, цинкактивируемые каналы ^АСз), рецепторы у-аминомасляной кислоты (ОАВА) типа А (ОАВААЯз) и глициновые рецепторы (О1уЯз) [4].
ZAC, пАСИЯ и 5-НТ3Я - катионселективные каналы, в то время как ОАВААЯ и О1уЯ-анион-селективные [4-6]. О присутствии прокариотиче-ских гомологов лигандуправляемых ионных каналов с ацетилхолиновыми рецепторами (суз-пе-тельные рецепторы) у животных сообщали ранее [1]. То, что высшие растения также используют электрические сигналы для выполнения различных ежедневных функций, привлекает внимание исследователей в течение длительного времени [7]. Хотя растительные гены (ОЬЯ), кодирующие белки, подобные рецепторам глутамата, определены [8, 9], Суз-петельные рецепторы у растений не охарактеризованы. Тем не менее, гены, кодирующие белки, гомологичные этим рецепторам, присутствуют в геномах СЫатуйотопаз и Ш1-еготопаз [3], но отсутствуют в эмбриофитах.
Рецепторы суз-петельных рецепторов собираются как пентамеры, которые могут быть как гомоме-рами, так и гетеромерами [4, 10-12]. Различные субъединицы Суз-петельных рецепторов состоят из полипептидных цепей длиной 400-500 аминокислотных остатков (а.о.) с четырьмя трансмембранными доменами (М1-М4) [4]. Суз-петли характеризуются наличием двух доменов: один из них - ли-гандсвязываемый домен трансмиттеруправляемого ионного канала (Р1ат: PF02931) и второй — трансмембранный домен трансмиттеруправляемого ионного канала (Pfam: PF02932) [3]. У Суз-петельных рецепторов животных есть характерная петля, обра-
зованная дисульфидной связью между двумя остатками цистеина, разделенными 13 аминокислотными остатками [1, 13]. Однако эти рецепторы у прокариот отличаются от рецепторов животных отсутствием характерных остатков цистеина, которые образуют дисульфидный мостик. Предполагают, что Cys-петельные рецепторы животных эволюционировали от бактериальных [1]. Также установлено, что гомологичным белкам Chlamydomonas также не хватает канонических цистеинов [3]. Детальное исследование характеристик cys-петельных рецепторов водорослей может способствовать пониманию эволюции этого класса рецепторов.
Предварительный поиск белков, содержащих два домена cys-петельных рецепторов, в базах данных Pfam (PF02931 и PF02932) и Ensembl для белков растений [14] (http://plants.ensembl.org/in-dex.html) с помощью программы BioMart [15] обнаружил лишь один белок из Chlamydomonas rein-hardtii, у которого есть оба домена. Ни один из других представленных в базах данных геномов растений не кодирует белки с двумя доменами. Хотя наличие гена Cys-петельного рецептора в геномах Micromonas утверждается в работе [3]; однако соответствующий белок, содержащий указанные домены, нами не обнаружен. Один из белков (номер в NCBI: XP_002502869) из Micromonas аннотирован как лигандуправляемый белок-транспортер из семейства ионных каналов в базе NCBI. Тем не менее, поиск по Pfam [16] показал в этом белке наличие только одного домена (PF02931) со значительным соответствием.
Данная работа посвящена анализу белка Chlamydomonas с двумя доменами cys-петельных рецепторов. Нам было интересно охарактеризовать белок Chlamydomonas как единственный представитель Cys-петельных рецепторов в растениях, известный в настоящее время. До сих пор ни структурные, ни функциональные характеристики для этого белка не установлены. В связи с этим, в настоящем исследовании предпринята попытка охарактеризовать белок с помощью инструментов биоинформатики в надежде, что полученная таким образом информация может послужить основой для дальнейшего функционального анализа этого единственного представителя семейства cys-пе-тельных рецепторов у растений.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Поиск, выравнивание последовательностей и филогенетический анализ. По базе данных Ensembl для растений (по состоянию на 30.07.2013) произведен поиск для двух доменов Pfam (PF02931 и PF02932). Единственный белок LIC1 (NCBI Gene ID 5717228) длиной 453 а.о. с двумя вышеупомянутыми доменами обнаружен у C. reinhardtii . Для этого белка проводили поиск ортологов в базе растений Ensembl, но они не были обнаружены.
Аминокислотную последовательность LIC1 использовали для дальнейшего исследования и прогнозирования структуры. Аминокислотная последовательность LlCl использована для поиска сходной последовательности с использованием алгоритма BLASTP пакета BLAST (B
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.