Рис.2. Схематическое действие ферментной системы FUL на модели фукозсодержащих полисахаридов сложного состава
Часть генов FUL не поддается анотированию ввиду отсутствия какой либо информации о доменной организации этих белков в существующих на сегодняшний день базах данных. Дальнейшее изучение продуктов генов FUL методами структурной биологии поможет установить взаимосвязь между структурой и функцией новых, не изученных ранее, белков и ответить на вопрос о том, каким образом функционирует FUL.
Заключение
Показано, что, как и большенство PULs бактерий типа Bacterioidetes, в состав фукоиданутилизирующих локусов входят гены, кодирующие Sus-подобные белки и транскрипционные регуляторы. В состав FUL входит большое количество различных фукоиданаз (GH107), фукозидаз (GH29 и GH95) и сульфатаз (SE), что является закономерным и согласуется со структурой фукансульфатов. Наличие генов, кодирующих другие гликозидазы (GH) и полисахарид-лиазы (PL), указывает на способность этих локусов расщеплять не только фукансульфаты, но и фукоиданы сложного состава. Таким образом, в данной работе впервые представлена информация об организации FUL: определены границы оперонов и их регуляторы, предположена функция некоторых, не изученных ранее белков и предложен путь катаболизма сульфатированных фукозсодержащих полисахаридов морскими бактериями.
Материалы и методы
Поиск гомологов фукоиданаз 107 структурного семейства (GH107, CAZy) проводили методом BLASTp в базе данных NCBI. Нуклеотидные последовательности геномов морских бактерий, содержащие гены GH107, подвергались автоматизированному анотированию с помощью сервера RAST [22]. Для анализа, реконструкции и визуализации генов использовали програмное обеспечение Artemis [23]. Наличие сигнальных последовательностей определяли с помощью ServerIP [24]. Доменную организацию белков и их функцию определяли с помощью IntrProScan [25]. Принадлежность белков к семействам гликозидгидролаз (GH), полисахарид-лиаз (PL) и эстераз (SE, CE) проводили c помощью dbCAN HMMs и алгоритма BLASTp базы данных CAZy [26], достоверными считали значения, где "Evalue" было не ниже 1e-30, а идентичность не меньше 30 %. Белки с неизвестной функцией подвергались дополнительному анализу путем поиска генов-ортологов, с помощью BLASTp (NSBI) в других организмах и дополнительным анализом соседних генов в организмах, которых они встречаются (реконструкция функции локуса). На основании предсказанной функции расположенных рядом генов выстраивалась гипотеза о функции этих белков.
Список литературы
1. Kusaykin M.I., Silchenko A.S., Zakharenko A.M., Zvyagintseva T.N. Fucoidanases // Glycobiology, 2015. V.1. P.1-10.
2. Li B., Lu F., Wei X., Zhao R. Fucoidan: Structure and Bioactivity // Molecules, 2008. V.13. P.1671-1695.
3. Zonga A., Cao H., Wang F. Anticancer polysaccharides from natural resources: A review of recent research // Carbohydr. Polym., 2012. V.90. P.1395-1410.
4. Hayashi K., Nakano T., Hashimoto M., Kanekiyo K., Hayashi T. Defensive effects of a fucoidan from brown alga Undaria pinnatifida against herpes simplex virus infection // Int. J. Immunopharmacol., 2008. V.8, N 1. P.109-116.
5. Colliec S., Jozefonvicz J. A low molecular weight fucoidan fraction from the brown seaweed Pelvetia canaliculata / // The International Journal of Plant Biochemistry, 1994. V.35. № 3. P.697-700.
6. Descamps V., Colin S., Lahaye M., Jam M., Richard C., Potin P., Barbeyron T., Yvin J., Kloareg B. Isolation and culture of a marine bacterium degrading the sulfated fucans from marine brown algae // Mar. Biotechnol., 2006. V.8. № 1. P.27-39.
7. Woo-Jung K., Kim S., Lee Y., Kim H., Kim H., Moon S., Suh H., Jang K., Park Y. Isolation and characterization of marine bacterial strain degrading fucoidan from korean Undaria pinnatifida sporophylls // J. Microbiol. Biotechnol., 2008. V.18. № 4. P.616-623.
8. Barbeyron T., L'Harold S., Michel G., Czjzek M. Mariniflexile fucanivorans sp. nov., a marine member of the Flavobacteriaceae that degrades sulphated fucans from brown algae // Int. J. Syst. Evol. Microbiol., 2008. V.58. P.2107-2113.
9. Chang Y., Xue C., Tang Q., Li D., Wu X., Wang J. Isolation and characterization of a sea cucumber fucoidan utilizing marine bacterium // Lett. Appl. Microbiol., 2010. V.50. № 3. P.301-307.
10. Sakai T., Ishizuka K., Shimanaka K., Ikai K., Kato I. Structure of oligosaccharides derived from Cladosiphon okamuranus fucoidan by digestion with marine bacterial enzymes // Mar. Biotechnol., 2003. V.5. № 6. P.536-544;
11. 11. Бакунина И.Ю., Шевченко Л.С., Недашковская О.И., Шевченко Н.М., Алексеева С.А., Михайлов В.В., Звягинцева Т.Н. Поиск фукоидан-гидролаз среди морских микроорганизмов // Микробиология, 2000. Т.69. № 3. С.370-376.
12. Tanaka R., Mizutani Y., Shibata T., Miyake H., Iehata S., Mori T., Kuroda K., Ued M. Genome Sequence of Formosa haliotis Strain MA1, a Brown Alga-Degrading Bacterium Isolated from the Gut of Abalone Haliotis gigantean // Genome Announc., 2016. V.4. № 6. P.1312-1316.
13. Chen F., Chang Y., Dong S., Xue C. Wenyingzhuangia fucanilytica sp. nov., a sulfated fucan utilizing bacterium isolated from shallow coastal seawater // Int. J. Syst. Evol. Microbiol., 2016. V.66: P.3270-3275.
14. Sonnenburg E.D., Sonnenburg J.L., Manchester J.K., Hansen E.E., Chiang H. C., Gordon J.I. A hybrid two-component system protein of a prominent human gut symbiont couples glycan sensing in vivo to carbohydrate metabolism // Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 2006. V.103. P.8834-8839.
15. Larsbrink J., Rogers T.E., Hemsworth G.R., McKee L.S., Tauzin A. S., Spadiut O., Klinter S., Pudlo N.A., Urs K., Koropatkin N.M., Creagh A.L., Haynes C. A., Kelly A. G., Cederholm S. N., Davies G. J., Martens E. C., Brumer H. A discrete genetic locus confers xyloglucan metabolism in select human gut Bacteroidetes // Nature, 2014. V.506. № 7489. P.498-502.
16. Silchenko A.S., Kusaykin M.I., Kurilenko V.V., Zakharenko A.M., Isakov V.V., Zaporozhets T.S., Gazha A.K., Zvyagintseva T.N. Hydrolysis of Fucoidan by Fucoidanase Isolated from the Marine Bacterium Formosa algae // Mar. Drugs., 2013. V.11. P.2413-2430.
17. Koropatkin N.M., Martens E.C., Gordon J.I., Smith T.J. Starch catabolism by a prominent human gut symbiont is directed by the recognition of amylose helices // Structure, 2008. V.16. № 7. P.1105-1115;
18. Leite E.L., Medeiros M.G.L., Rocha H.A.O., Farias G.G.M., da Silva L.F., Chavante S.F., de Abreu L.D., Dietrich C.P., Nader H.B. Structure and pharmacological activities of a sulfated xylofucoglucuronan from the alga Spatoglossum schroederi // Plant Science, 1998. V.132. P.215-228.
19. Sakai T., Kimura H., Kato I. Purification of sulfated fucoglucuronomannan lyase from bacterial strain of Fucobacter marina and study of appropriate conditions for Its enzyme digestion // Mar. Biotechnol., 2003. Vol.5. № 4. P.380-387;
20. Youssef N.H., Farag I.F., Rinke C., Hallam S.J., Woyke T., Elshahed M.S. In Silico Analysis of the Metabolic Potential and Niche Specialization of Candidate Phylum "Latescibacteria" (WS3) // PLoS ONE, 2015. V.10. № 6. e0127499.
21. Michel G., Tonon T., Scornet D., Cock J.M., Kloareg B. The cell wall polysaccharide metabolism of the brown alga Ectocarpus siliculosus. Insights into the evolution of extracellular matrix polysaccharides in Eukaryotes / // New Phytologist., 2010. V.188. P.82-97.
22. Aziz R.K., Bartels D., Best A.A., DeJongh M., Disz T., Edwards R. A., Formsma K., Gerdes S., Glass E.M., Kubal M., Meyer F., Olsen G.J., Olson R., Osterman A.L., Overbeek R.A., McNeil L.K., Paarmann D., Paczian T., Parrello B., Pusch G.D., Reich C., Stevens R., Vassieva O., Vonstein V., Wilke A., Zagnitko O. The RAST Server: Rapid Annotations using Subsystems Technology // BMC Genomics, 2008. V.9. № 75.
23. Rutherford K., Parkhill J., Crook J., Horsnell T., Rice P., Rajandream M. A., Barrell B. Artemis: sequence visualization and annotation / // Bioinformatics, 2000. V.16. № 10. P.944-955.
24. Petersen T.N., Brunak S., von Heijne G., Nielsen H. Signal P 4.0: discriminating signal peptides from transmembrane regions // Nature Methods., 2011. V.8. P.785-786.
25. Jones P., Binns D., Chang H. - Y., Fraser M., Li W., McAnulla C., McWilliam H., Maslen J., Mitchell A., Nuka G., Pesseat S., Quinn A. F., Sangrador-Vegas A., Scheremetjew M., Yong S. - Y., Lopez R., Hunter S. InterProScan 5: genome-scale protein function classification // Bioinformatics, 2014. V.30. № 9. P.12361240.
26. Yin Y., Mao X., Yang J, Chen X., Mao F., Xu Y. dbCAN: a web resource for automated carbohydrate-active enzyme annotation // Nucleic Acids Res., 2012. V.40. P.445-453.