= ОБЗОР
УДК 579.887:579.252.2:577.214:577.151.63
БЕЛКИ ТЕПЛОВОГО ШОКА МИКОПЛАЗМ И КОДИРУЮЩИЕ ИХ ГЕНЫ
© 2013 г. И. Е. Вишняков1, С. Н. Борхсениус
Институт цитологии РАН, Санкт-Петербург Поступила в редакцию 01.04.2013 г.
Микоплазмы (класс ЫоШсШез) являются наиболее просто организованными прокариотическими организмами, способными к самостоятельному воспроизведению, в связи с чем их принято считать естественной моделью "минимальной" клетки. Системы, сохранившиеся у микоплазм в процессе редуктивной эволюции, могут играть фундаментальную роль в жизнеобеспечении любой клетки. В обзоре впервые обобщена и систематизирована доступная к настоящему времени информация о генах, кодирующих белки теплового шока (БТШ) микоплазм. Предпринята попытка осмыслить наличие или отсутствие у микоплазм аналогов важнейших шаперонов и протеаз бактериальной клетки, от которых зависит не только ее устойчивость к стрессам, но и гомеостаз белков при оптимальных условиях существования. Представлены данные о механизмах регуляции транскрипции генов БТШ в микоплазменной клетке. Рассмотрены свойства и функции наиболее полно охарактеризованных БТШ микоплазм: белков ЭпаК, ВпаЛ-подобных белков, системы ОгоЕЬ/ОгоЕЗ, С1рВ и малых белков теплового шока (мБТШ).
Ключевые слова: микоплазмы, "минимальная" клетка, стресс, геномы, гены, регуляция транскрипции, шапероны, протеазы.
DOI: 10.7868/S0026365613060128
ВВЕДЕНИЕ
При подъеме температуры до сублетальных значений клетки как прокариот, так и эукариот приостанавливают синтез большинства белков и увеличивают скорость синтеза белков, называемых белками теплового шока (БТШ). БТШ обнаружены у всех исследованных эукариот и бактерий. Даже самые маленькие прокариотические организмы, способные к самостоятельному воспроизведению, микоплазмы (класс Mollicutes), не составили исключение [1, 2]. В эволюционном плане БТШ являются одними из самых консервативных белков. Разные БТШ по своим свойствам и функциям отличаются друг от друга, однако главной ролью всех этих белков является поддержание гомеостаза и противодействие критическим изменениям, происходящим в клетке в условиях стресса.
Среди БТШ обильно представлены шапероны и ко-шапероны. Эти белки участвуют в процессах фолдинга (сворачивания пептидной цепи вновь синтезированных белков) и осуществляют защитную функцию, предотвращая денатурацию и агрегацию белков при стрессовых воздействиях. Вторая крупная группа БТШ — протеазы. Они обеспечивают деградацию тех полипептидов, в структуре которых в условиях стресса происходят
1 Автор для корреспонденции (e-mail: innvish@gmail.com).
необратимые нарушения. Третью группу БТШ составляют регуляторные белки, контролирующие процессы транскрипции, трансляции и модификации полипептидов, синтезирующихся при тепловом шоке. Индукция синтеза некоторых БТШ может происходить не только при повышении температуры, но и при других стрессовых воздействиях, таких как понижение температуры, добавление оксидантов или солей тяжелых металлов. Такие белки относят к общим стрессовым белкам [3]. Кроме того, клетки большинства организмов синтезируют небольшие количества БТШ и в нормальных условиях [4]. Это, безусловно, относится к шаперонам, от которых зависит фолдинг белков, а также к некоторым протеазам.
В основу классификации БТШ положены их размеры, причем по молекулярной массе (кДа) выделяют несколько семейств: БТШ100, 90, 70, 60, 40, 33 и малые БТШ (мБТШ). Реальные размеры полипептидных цепей внутри обозначенных семейств значительно варьируют, но представители каждого из семейств БТШ выполняют в клетках различных организмов характерные функции [5, 6]. Например, к наиболее полно изученному семейству БТШ70 относят и шапероны Шр70 эукариот, включая 13 белков Н8РА человека [7] с молекулярными массами от 52 (Н8РА13) до 76 кДа (Н8РА12Б), и прокариотные гомологи Шр70, включая ЭпаК-подобные белки кишеч-
ной палочки Escherichia coli [8], с молекулярными массами 62—71 кДа. Большим разнообразием размеров обладают мБТШ. Представители этого обширного и гетерогенного семейства (белки с молекулярными массами от 10 до 43 кДа) выполняют в клетках множество разных функций [9]. Характерным структурным признаком мБТШ как эукариот, так и прокариот является наличие у них альфа-кристаллинового домена [6, 10].
Микоплазмы отличаются от остальных эубак-терий отсутствием клеточной стенки, малым размером геномов и низким содержанием GC-пар в ДНК. Почти все микоплазмы являются облигат-ными паразитами. Несмотря на кажущуюся "некомплектность" состава их геномов, микоплазмы являются весьма успешными патогенами людей, млекопитающих, птиц, насекомых и растений [11, 12]. Предполагают, что микоплазмы в процессе эволюционного становления утратили значительное количество генетического материала их предковых форм (общих с лактобациллами), что привело к уменьшению размера геномов до близкого к теоретически рассчитанному минимуму для организма, способного к самостоятельной репродукции [13]. В связи с этим микоплазмы было предложено считать естественной моделью "минимальной" клетки [14]. Однако количество генов в этом случае должно прямо зависеть от условий среды обитания. Например, отсутствие генов, кодирующих ферменты, необходимые для биосинтеза нуклеотидов и аминокислот, можно объяснить тем, что микоплазмы непосредственно получают эти вещества из клеток организма-хозяина [15, 16].
Исследователей, приступивших к изучению БТШ микоплазм, интересовало, сохранилась ли у них универсальная система ответа на тепловой шок, или она была делетирована за ненадобностью. БТШ микоплазм впервые были выявлены в Институте цитологии РАН [1]. С помощью метода импульсного включения метки было установлено, что при увеличении температуры с 32 до 44°С на 2 ч клетки Acholeplasma laidlawii ускоряют синтез 9 полипептидов на фоне подавления синтеза остальных белков, причем в наибольшей степени возрастает количество полипептидов с молекулярной массой 72, 65, 17 и 10 кДа. По данным денситометрии, после теплового шока в клетках A. laidlawii PG8 содержание основных БТШ увеличивалось с 0.8 до 4.2% (белок 72 кДа), и с 0.05 до 4.8% (белок 65 кДа). Накопление низкомолекулярного БТШ р17 (Hsp20, IbpA) достигало 7.2% от общего клеточного белка. Повышенное содержание БТШ в клетках микоплазм поддерживалось в течение 4 ч после возврата к нормальной температуре. В том же году Дашер с соавт. [2] продемонстрировали ответ на тепловой шок у A. laidlawii (штаммы JA1 и K2) и Mycoplasma capricolum. Таким образом, уже к 1990 году работами двух неза-
висимых групп было установлено, что клетки микоплазм способны синтезировать БТШ в ответ на тепловой шок, как и клетки всех известных организмов. Наличие БТШ у микоплазм, при том, что геномы этих микроорганизмов значительно редуцированы, указывает на фундаментальное значение БТШ для жизнеобеспечения клетки, в том числе "минимальной".
Что же сделано для изучения БТШ микоплазм с момента их открытия? Во-первых, к настоящему времени полностью прочтены более 40 геномов микоплазм, из них аннотированы более 30 полноразмерных последовательностей (без учета геномов, принадлежащих разным штаммам одного вида). Это позволило предсказать наличие в геномах микоплазм ОРС, соответствующих генам, кодирующим гипотетические продукты, обладающие гомологией с известными бактериальными БТШ. Интерес к секвенированию геномов мико-плазм в значительной степени обусловлен тем, что клетки этих микроорганизмов относительно просто устроены, и в силу своего минимализма могут служить удобными моделями для изучения жизненно важных клеточных процессов. Во-вторых, использование таких комплексных подходов, как изучение транскрипционного ответа и протеомный анализ клеток микоплазм при воздействии на них теплового шока, позволили составить общую картину происходящих в клетке изменений. Однако многие детали процессов до сих пор не ясны. В-третьих, целый ряд исследований, посвященных взаимодействию микоплазм с эукариотами в системе паразит—хозяин, позволил выявить, что многие БТШ микоплазм являются сильными антигенами, вызывающими отклик иммунной системы организма—хозяина. Эти данные уже используются для серологических исследований [17] и разработки новых эффективных вакцин [18]. Кроме того, были и работы, посвященные исследованию структуры, свойств и функций конкретных БТШ микоплазм. Однако, таких работ за последние 20 с лишним лет было сделано мало. Среди них можно отметить работы, посвященные белкам DnaK [19], TopJ [20], DnaJ [21], ClpB [22] и IbpA [23]. В двух работах [19, 23] были выполнены электронно-микроскопические исследования локализации БТШ в клетках микоплазм: HspA1 из Mycoplasma suis и IbpA (Hsp20) из A. laidlawii, соответственно.
Данный обзор посвящен обобщению и систематизации всей доступной к настоящему времени информации о генах, кодирующих БТШ в клетках микоплазм, регуляции их транскрипции, а также о свойствах и функциях наиболее полно охарактеризованных БТШ.
ГЕНЫ БTШ ПО ДАННЫМ ПОЛHОCTЬЮ ПРОЧTEHHЫХ ГЕНОМОВ МИКОПЛАЗМ
К началу 2013 г. полностью прочтены и аннотированы геномы 35 видов микоплазм, при этом уже заявлены проекты по секвенированию еще нескольких десятков геномов. Это открывает широкие возможности для сравнительного анализа микоплазменных генов, в том числе генов БTШ.
Система, отвечающая за состояние белков, т.н. мультишаперонная сеть, является важнейшей системой жизнеобеспечения любой клетки как при оптимальных условиях роста, так и в условиях стресса [9]. Чем больше компонентов входит в ее состав, тем больше количество связей между ними, тем выше "буферная емкость" сети, позволяющая успешно решать задачи приспособления клетки к изменяющимся условиям окружающей среды [24]. Главными компонентами мультиша-перонной сети любой клетки являются БTШ. Среди бактерий микоплазмы обладают минимальным набором генов, кодирующих шапероны и протеазы [25]. Tем не менее, БTШ широко представлены в редуцированных геномах микоплазм (таблица).
Количество генов, кодирующих аналоги известных бактериальных БTШ, в геномах микоплазм разных видов различается. Если не учитывать паралогичные гены, то всего
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.