2,3-дикето-5-метилтиопентил-1-фосфат - гетерофункциональный гомолог РуБисКо, полученный из грамположительной термофильной бактерии Geobacillus kaustophilus[1] и катализирующий енолизацию 2,3-дикето-5-метилтиопентил-1-фосфата (DK-MTP-1-P).
Многие геномные проекты показали, что белки, гомологичные крупным субъединицам РуБисКо, могут присутствовать в бактериях, включая Geobacillus kaustophilus. Данные белки называют рубископодобными, потому что они не катализируют характерные для этого фермента реакции, а именно карбоксилирование и оксигенацию. Представленная молекула участвует в пути, который играет важную роль в синтезе L-метионина через “спасательный путь”, который, в свою очередь, является частью биосинтеза аминокислот.
Катализ осуществляется абстрагированием протона с С1 атома субстрата, в результате чего образуется таутомеризированный продукт - 2-гидрокси-3-кето-5-метилтиопентенил-1-фосфат (HK-MTPenyl-1-P). Катализируемые РуБисКО и енолазой реакции, как и ожидается, различаются по региохимии выделения протонов, однако их объединяет способ стабилизации промежуточного енолат-аниона, осуществляемый путем координации иона Mg2+ с активным центром, а также механизм активации за счет карбамилирования Lys173 (эквивалент Lys201 в РуБисКо)
Поиск белка был осуществлен с помощью формы “Retrieve/ID mapping”. В результате на экране появилась таблица с ссылкой на искомую молекулу. Далее формат был изменен на текстовый для более удобного поиска информации. Основные сведение о белке представлены в таблице 1.[2]
| Раздел UniProtKB | Swiss-Prot |
| UniProt ID | MTNW_GEOKA |
| UniProt AC | Q5L1E2 |
| EMBL AC нуклеотидной записи | BA000043; BAD75238.1; Genomic_DNA |
| PDB ID | 2OEJ; 2OEK; 2OEL; 2OEM; |
| Длина (а. о.) | 413 |
| Молекулярная масса (Да) | 44906 |
| Рекомендуемое UniProt название | Full=2,3-diketo-5-methylthiopentyl-1-phosphate enolase;Short=DK-MTP-1-P enolase; |
| Структура | известна полностью |
Поиск осуществлялся по рекомендованному названию белка среди указанных таксонов и организмов. Результаты представлены в таблице 2.
| текст запроса | Количество белков из TrEMBL | Количество белков из Swiss-Prot |
|---|---|---|
| name:"2 3-diketo-5-methylthiopentyl-1-phosphate enolase" | 1,573 | 27 |
| name:"2 3-diketo-5-methylthiopentyl-1-phosphate enolase" taxonomy:bacteria | 1,558 | 27 |
| name:"2 3-diketo-5-methylthiopentyl-1-phosphate enolase" taxonomy:firmicutes | 1,331 | 25 |
| name:"2 3-diketo-5-methylthiopentyl-1-phosphate enolase" taxonomy:bacilli | 1,246 | 25 |
| name:"2 3-diketo-5-methylthiopentyl-1-phosphate enolase" taxonomy:bacillales | 1,246 | 25 |
| name:"2 3-diketo-5-methylthiopentyl-1-phosphate enolase" taxonomy:bacillaceae | 872 | 24 |
| name:"2 3-diketo-5-methylthiopentyl-1-phosphate enolase" taxonomy:geobacillus | 47 | 3 |
| name:"2 3-diketo-5-methylthiopentyl-1-phosphate enolase" taxonomy:"geobacillus thermoleovorans group" | 8 | 1 |
| name:"2 3-diketo-5-methylthiopentyl-1-phosphate enolase" taxonomy:eukaryota | 5 | 0 |
| name:enolase organism:"geobacillus kaustophilus" | 6 | 2 |
| name:"2 3-diketo-5-methylthiopentyl-1-phosphate enolase" organism:"geobacillus kaustophilus" | 3 | 1 |
В данном разделе был произведен поиск кластеров записей по сходству последовательностей. Информация о кластерах, в которых состоит анализируемый белок представлена в таблице 3.
UniRef 100
UniRef 100 содержит в себе единственный кластер, в который входят белки, имеющие 100%-ное сходство по аминокислотному составу последовательностей и их фрагментов. В результате поиска был найден кластер, содержащий единственный белок, представленный в данной работе, что говорит о его уникальности в природе.
UniRef 90
UniRef 90 содержит кластер, в который входят самые длинные последовательности из кластера UniRef 100, идентичные на 90% и похожие по длине. В результате поиска был найден кластер, содержащий 11 последовательностей длины 409, 410 и 413 а.о.
UniRef 50
В UniRef 50 входит кластер, содержащий белки, идентичные на 50% и входящие в кластер UniRef 90. Результат поиска показал 1789 последовательностей в диапазоне длин от 64 до 462 а.о.
Изучаемый белок является сидом в кластерах UniRef 100 и UniRef 90, а также он репрезентативен (название молекулы совпадает с названиями всех кластеров) и уникален, так как характерен только для представителей таксономической группы Geobacillus kaustophilus и его последовательность - единственная в кластере UniRef 100.
| БД | ID кластера | Название кластера | Количество белков |
|---|---|---|---|
| UniRef 100 | UniRef100_Q5L1E2 | Cluster: 2,3-diketo-5-methylthiopentyl-1-phosphate enolase | 1 |
| UniRef 90 | UniRef90_Q5L1E2 | Cluster: 2,3-diketo-5-methylthiopentyl-1-phosphate enolase | 11 |
| UniRef 50 | UniRef50_Q5L1E2 | Cluster: 2,3-diketo-5-methylthiopentyl-1-phosphate enolase | 1,789 |
Geobacillus kaustophilus - термофильная бактерия, причем температурный оптимум приходится на 60°C (максимальная температура, совместимая с жизнью, - 74°C)[3]. Для сравнения протеомов была взят модельный организм - метаногенная архея Methanocaldococcus jannaschii. Выбор на данную архею пал в связи с тем, что она также обитает в условиях экстремально повышенных температур и является гипертермофильной.[4] Основная информация о протеомах представлена в таблице 4.
| Организм | Geobacillus kaustophilus (strain HTA426)(GEOKA) | Methanocaldococcus jannaschii (METJA) |
|---|---|---|
| ID протеома | UP000001172 | UP000000805 |
| Количество всех записей | 3,517 | 1,787 |
| количество записей из Swiss-Prot | 510 | 1,787 |
| Количество трансмембранных белков | 742 (21,1%) | 294 (16,5%) |
| Количество ферментов | 865 (24,6%) | 582 (32,57) |
| Количество дегидрогеназ | 40 (1,1%) | 15 (0,8%) |
Сравнение было реализовано с помощью поиска по функциональным группам белков в протеомах обоих организмов. Выбранные функциональные группы:
1.Трансмембранные белки
2.Ферменты
ec:* AND organism:"Geobacillus kaustophilus (strain HTA426) [235909]" AND proteome:up000001172
3.Дегидрогеназы
ec:1.1.* AND organism:"Geobacillus kaustophilus (strain HTA426) [235909]" AND proteome:up000001172
Функциональная группа 3 была выбрана в связи с тем, что Geobacillus kaustophilus в качестве источника углерода часто использует мио-инозитол. В реакциях деградации этого соединения активное участие принимают дегидрогеназы[5], поэтому стало интересно посмотреть долю этих белков в представленном организме.
Отметим, что белков у Geobacillus kaustophilus в два раза больше, поэтому корректно сравнивать доли функциональных групп. Methanocaldococcus jannaschii - модельный организм, поэтому все его белки проверены вручную в отличие от анализируемой бактерии, протеом которой, грубо говоря, достоверно аннотирован примерно на 15%.
Доля трансмембранных белков выше у Geobacillus kaustophilus. Можно предположить, что это связано со способами получения энергии. Дело в том, что метаногенные археи поглощают из среды молекулы углекислого газа и водорода, восстанавливая их до метана.[6] Geobacillus kaustophilus для роста используют широкий спектр источников углерода.[7] Скорее всего, большее число трансмембранных белков связано именно с разнообразием поглощаемых веществ. Доля всех ферментов выше у Methanocaldococcus jannaschii. Вероятно, меньшее содержание у Geobacillus kaustophilus связано с плохой изученностью протеома. Вцелом ферменты занимают значительную часть протеома, так как среди них много белков “домашнего хозяйства”, необходимых для нормальной жизнедеятельности обоих организмов. Количество дегидрогеназ незначительно выше, как и предполагалось, у Geobacillus kaustophilus. Скорее всего, это связано с особенностями метаболизма, описанными выше.
[1] Takami H. et al. Thermoadaptation trait revealed by the genome sequence of thermophilic Geobacillus kaustophilus //Nucleic acids research. – 2004. – Т. 32. – №. 21. – С. 6292-6303.
[2] Imker H. J. et al. Mechanistic diversity in the RuBisCO superfamily: the “enolase” in the methionine salvage pathway in Geobacillus kaustophilus //Biochemistry. – 2007. – Т. 46. – №. 13. – С. 4077-4089.
[3] Takami H. et al. Thermoadaptation trait revealed by the genome sequence of thermophilic Geobacillus kaustophilus //Nucleic acids research. – 2004. – Т. 32. – №. 21. – С. 6292-6303.
[4] White R. H. Biochemical origins of lactaldehyde and hydroxyacetone in Methanocaldococcus jannaschii //Biochemistry. – 2008. – Т. 47. – №. 17. – С. 5037-5046.
[5] Yoshida K. et al. Three inositol dehydrogenases involved in utilization and interconversion of inositol stereoisomers in a thermophile, Geobacillus kaustophilus HTA426 //Microbiology. – 2012. – Т. 158. – №. 8. – С. 1942-1952.
[6] Thauer R. K. et al. Methanogenic archaea: ecologically relevant differences in energy conservation //Nature Reviews Microbiology. – 2008. – Т. 6. – №. 8. – С. 579-591.
[7] McMullan G. et al. Habitat, applications and genomics of the aerobic, thermophilic genus Geobacillus //Biochemical Society Transactions. – 2004. – Т. 32. – №. 2. – С. 214-217.