Практикум 7

Выбор белка

Моя бактерия, Serpentinimonas maccroryi, обитает в экстремально щелочных условиях и при чрезвычайно низких концентрациях ионов натрия в среде (Bird et al. 2021). Поэтому я решила выбрать белок, связанный с транспортом протонов и ионов натрия.

Запрос, по которому я искала белок, — "(taxonomy_id:1458426) AND (protein_name:H) AND (protein_name:Na)". Поиск по UniProtKB выдал 19 результатов (см. рис. 1).

Рис. 1. Результаты поиска белка по запросу "(taxonomy_id:1458426) AND (protein_name:H) AND (protein_name:Na)".

Из этих девятнадцати белков я выбрала самый первый, поскольку это был первый попавшийся белок, состоящий из единственной субъединицы.

Информация о белке

Белок, который я выбрала — Na+/H+ и K+/H+ обменник NhaP-типа. Белки семейства NhaP — катион-протонные обменники, выносящие из клетки катионы щелочных металлов, ионы кальция или ионы аммония и заносящие протоны (Resch et al. 2011).
Возможно, бактерия использует этот белок для поддержания внутриклеточного pH, сначала закачивая в клетку ионы натрия или калия активным транспортом, а после обменивая их на протоны. Это, наверное, может быть одной из причин, по которой S. maccroryi не терпит высокие содержания солей натрия в среде — натрий-протонный обменник может переставать работать, когда градиент натрия на мембране не такой большой, как ему «надо». Но как проверить эту гипотезу, не зная каких-нибудь констант активности этого обменника, я не знаю.

Кластеры похожих белков

В UniRef100 моего белка только 1 белок, в UniRef90 — 4 (три из них — у бактерий рода Serpentinimonas), в UniRef50 — 71.
Видимо, размер UniRef100 указывает на то, что геном исследуемой бактерии был отсеквенирован мало раз, или на то, что этот белок консервативен. Но, поскольку S. maccroryi была описана только в 2021-м году, видимо, она была отсеквенирована лишь однажды. А вот для первого попавшегося белка E. coli — аспартатаминотрансферазы — размер UniRef100 уже равен 78.
В UniRef90 входят только белки бактерий семейства Comamonadaceae, что, судя по всему, ни о чем особо не свидетельствует. Для той же аспартатаминотрансферазы E. coli в UniRef90 входят тоже только белки того же семейства (запрос "(id:UniRef90_P00509) NOT (taxonomy_id:543)"; 543 — идентификатор семейства Enterobacteriaceae, в которое входит E. coli).

Поисковые запросы

Для начала я решила узнать больше про обменники NhaP-типа.
Я нашла Na+/H+ и K+/H+ обменник NhaP-типа с уникальным доменом на С-конце, принадлежащий E. coli (запрос "(protein_name:NhaP) AND (taxonomy_id:562)"; 1 результат)(рис. 2). Но этот белок не сильно лучше аннотирован, и его существование тоже только предсказано.

Рис. 2. Результаты поиска белка по запросу "(protein_name:NhaP) AND (taxonomy_id:562)".

После я решила найти белки NhaP-типа с лучшими свидетельствами их существования (запрос "((existence:1) OR (existence:2) OR (existence:3)) AND (protein_name:NhaP)"; 93 результата) (см. рис. 3).

Рис. 3. Результаты поиска белка по запросу "((existence:1) OR (existence:2) OR (existence:3)) AND (protein_name:NhaP)".

О! А тут уже два белка из Swiss-Prot'а. Действительно, про оба эти белка написано, что они выносят из клетки катионы и закачивают протоны, причем оптимум работы у них в слабощелочном pH. Для их существования есть свидетельства на уровне белка, а еще для них известны константы Михаэлиса, правда при сильно более кислотном pH, чем тот, при котором живет S. maccroryi.

После я решила посмотреть при помощи BLAST'а по всем UniProtKB (не только по референстным последовательностям), какие белки наиболее похожи на мой (рис. 4). Алгоритмы BLAST нашли 250 записей.

Рис. 4. Результаты BLAST исследуемого белка.

Любопытно, что среди найденных белков нет одного белка из UniRef90 (запрос "(uniref_cluster_90:UniRef90_A0A258HRJ9)" выдает всего 3 результата). Белок S. barnesii не выдается поиском, видимо, поскольку он только гипотетический.

Из 250 результатов BLAST 69 не принадлежат бактериям (запрос "NOT (taxonomy_id:2)"). 11 из них не принадлежат ни вирусам, ни метагеномам (запрос "NOT (taxonomy_id:2) NOT (taxonomy_id:10239) NOT (taxonomy_name:metagenome)"). Среди этих белков есть белки архей, белки Symbiodinium microadriaticum, Daphnia pulex и Acanthamoeba castellanii.

Почему-то BLAST нашел белки, схожие с исследуемым, у вирусов (запрос "(taxonomy_id:10239)"; 43 белка).

У вирусов же я нашла (запрос "(protein_name:NhaP) AND (taxonomy_id:10239)") два белка NhaP-типа. Оба принадлежали Myoviridae sp.. Зачем или откуда у вирусов белки ионных обменников или их ортологи, я не понимаю.

Я подумала, что, возможно, эти белки на самом деле — белки бактерий или других клеток, на которых вирусы росли, просто при секвенировании вирусов попала чужая ДНК. В таком случае алгоритмы BLAST, запущенные для этого "вирусного" белка, должны выдавать очень похожий белок клеточного организма. Я запустила BLAST по UniProtKB для одного из двух "вирусных" белков NhaP-типа, но самый похожий на него белок был идентичен ему всего на 51%.

Потом я решила поискать все вирусные белки, которые имеют в ключевых словах ion transport (запрос "(taxonomy_id:10239) AND (keyword:KW-0406)"; 121549 результатов). Как я поняла, почитав описание одного из найденных белков, он встраивается в хозяйскую мембрану и увеличивает ее проницаемость.

Список литературы

  1. Bird, Lina J., J. Gijs Kuenen, Magdalena R. Osburn, Naotaka Tomioka, Shun’Ichi Ishii, Casey Barr, Kenneth H. Nealson, and Shino Suzuki. 2021. “Serpentinimonas Gen. Nov., Serpentinimonas Raichei Sp. Nov., Serpentinimonas Barnesii Sp. Nov. and Serpentinimonas Maccroryi Sp. Nov., Hyperalkaliphilic and Facultative Autotrophic Bacteria Isolated from Terrestrial Serpentinizing Springs.” International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology 71 (8). https://doi.org/10.1099/ijsem.0.004945.
  2. Resch, Craig T., Judith L. Winogrodzki, Claudia C. Hase, and Pavel Dibrov. 2011. “Insights into the Biochemistry of the Ubiquitous NhaP Family of Cation/H+ Antiporters.” Biochemistry and Cell Biology 89 (2): 130–37. https://doi.org/10.1139/O10-149.