Функциональная роль гена в подсистеме. GO, SEED, String

0. Немного о самой бактерии Brucella suis

Источники информации: 1 и 2 (никакой Википедии)

Описание и значение

"Род Brucella относится к протеобактериям. Традиционная классификация видов бруцелл в значительной степени основана на его предпочтительном хозяине. Это грамотрицательная бактерия. Заболевание это вызывает, бруцеллез, как полагают, известный человеку на протяжении более 2000 лет, будучи впервые описаный римлянами. В 1887 году ученый по имени Брюс впервые открыл другой вид рода бруцелл, который передается людям через коз, овец и верблюдов." (источник 1 - весь второй раздел "Description and significance")

"Бруцеллез — зоонозная инфекционная болезнь, которую переносят животные. Несмотря на то, что носителями инфекции является домашний скот, она крайне заразна для человека. Для бруцеллеза характерно длительное и тяжелое течение, инфекция поражает опорно-двигательный аппарат, сердце, сосуды, центральную нервную систему." (источник 2 - весь первый абзац в статье)

P.S. "В самом начале даже опытные врачи не всегда замечают, что у человека бруцеллез: симптомы напоминают обыкновенный грипп". (источник 2 - раздел "Бруцеллез: симптомы у человека", третий абзац)

Как передается бруцеллез

"Итак, носителем инфекции является домашний скот. Именно поэтому заболевание преимущественно встречается в сельской местности среди людей, имеющих непосредственный контакт со свиньями, овцами, козами, коровами, лошадьми. Возбудитель бруцеллеза выделяется из организма больного животного вместе с мочой, испражнениями и молоком (если животное дает молоко). Возбудителем является бруцелла, опасная бактерия, которая не уничтожается даже после заморозки. Коровье молоко остается заразным более месяца после дойки, если корова была заражена бруцеллой. Бактерии настолько устойчивы к воздействиям внешней среды, что они без труда сохраняют жизнеспособность в почве и в воде до пяти месяцев. Также в течение полугода бактерии сохраняют свою активность в замороженном мясе, в масле, в сметане, в сливках." (источник 1 - раздел "Как передаётся бруцеллез", первые четыре абзаца)

Применение в биотехнологиях

"Так как бруцеллез может передаваться человеку через свиней, Brucella suis была исследована в качестве биологического оружия во время холодной войны как со стороны США, так и со стороны Советского Союза. Сегодня она по-прежнему опасна, особенно тем, что она может быть использована в качестве биологического оружия для атаки террористов." (источник 1 - весь седьмой раздел "Application to Biotechnology")

Электронные микрофотографии (источник):

A) грубая Brucella с отсутствием внешней цепи

B) гладкая Brucella с присутствием внешней цепи

Дополнительные сведения о Brucella suis

Сравнение размеров геномов Brucella suis и Homo sapiens: геном бактерии (2,1 Mbp) во много раз меньше генома человека (3500 Mbp), что следовало ожидать, ведь первый организм относится к про-, а второй - к эукариотам
Систематика Brucella suis:
1. группа Протеобактерий
2. класс альфа-протеобактерий
3. порядок Rhizobiales
4. семейство Brucellaceae
5. род Brucella
6. вид suis
7. штамм 1330
Степень завершенности секвенирования генома Brucella suis: геном данного организма секвенирован полностью

1. Определение системы, к которой принадлежит ген из прокариотической системы секреции

Используя базу данных Uniprot, по AC нашли запись белка Q7CEG3.

Итак, этот белок Q7CEG3 (VIRB8_BRUSU) как раз из выше рассмотренного Brucella suis (биовар 1, штамм 1330, длина 239 АА). Его рекомендованное название — Type IV secretion system protein virB8, и, следовательно, он является частью секреторной системы IV типа В, в записи тоже было указание на систему секреции:

DE RecName: Full=Type IV secretion system protein virB8;

2. Расшифровка терминов GO

В записи отыскали идентификаторы GO белка:

DR   GO; GO:0016021; C:integral to membrane; IEA:UniProtKB-KW.
DR   GO; GO:0005886; C:plasma membrane; IEA:UniProtKB-SubCell.
DR   GO; GO:0009405; P:pathogenesis; IEA:UniProtKB-KW.
DR   GO; GO:0030255; P:protein secretion by the type IV secretion system; IEA:InterPro.

Далее составили таблицу по данным, полученным из базы данных GO:

Идентификатор GO	Онтология	Значение	Описание
0016021	C - клеточный компонент	трансмембранный (встроенный в мембрану)	Проникает по крайней мере в один фосфолипидный бислой мембраны
0005886	C - клеточный компонент	плазматическая мембрана	Мембрана, окружающая клетку, которая отделяет её от внешнего пространства. Она состоит из фосфолипидного бислоя и связанных с ним белков
0009405	P - биологический процесс	патогенез	Отвечает за возможность организма вызывать в другом организме болезнь
0030255	P - биологический процесс	секреторная система IV типа	Перенос белков во внеклеточную среду или непосредственно в клетку-хозяина

3. Определение функциональной роли белка в системе

Для начала стоит остановится на описании самой секреторной системы IV типа.

Описание секреторной системы IV типа: "Система IV типа секреции грамотрицательных бактерий эволюционно связана с бактериальными системами спаривания. Грамотрицательные бактерии используют эту систему для различных биологических функций, включая обмен генетическим материалом с другими бактериями и транслокации ДНК онкогенных и эффекторных белков в эукариотических клетках-хозяевах. Секреция самого аппарата обычно содержит высокомолекулярный комплекс, который охватывает внутреннюю и внешнюю мембрану бактерий, а также может охватывать мембрану эукариотических клеток-хозяев. Данная система, как правило, в составе до 12 белков. Последние исследования показали более подробную информацию о структуре аппарата этого типа секреции. Становится все более очевидным, что тип секретируемых IV-эффекторов играет важную роль в вирулентности (ядовитости) некоторых грамотрицательных патогенных микроорганизмов." (информация переведена из статьи журнала Nature)

Функциональная роль гена virB8 в системе: "Эта субъединица расположена на внутренней плазматической мембране и прошивает ее дважды. Функция virB8, как правило, структурная — поддержка и стабилизация канала в его основании. Теснее всего B8 взаимодействует с B6, которую, вероятно, заякоривает в мембране: их можно даже срастить в один ген (и один белок), и ничего не поменяется. В большинстве организмов гены B8 и B6 находятся рядом, а у некоторых объединены в один химерный." (информация переведена из статьи на NCBI)

Представленное выше описание секреторной системы и функциональной роли гена переведено с сайта NCBI.

Ниже приведена иерархия терминов GO:

3. База данных SEED

Используя "blastp againts complete genome" в разделе "Searching DNA or Protein Sequences (in a selected organism)" на SEED (FIG) и последовательность в fasta-формате, находим наш ген. Перейдя по ссылке на него, увидим графическое окно с гомологами из разных геномов:

Для получения ортологов были выставлены следующие параметры: Number of Regions – 50, Evalue cutoff – 1e-7. Затем были отобраны 15 ортологов из разных родов. На изображении ниже представлена карта окрестностей отобранных ортологов.

VirB8 (красная стрелка - номер 1) во всех случаях был аннотирован одинаково и отнесен к нужной системе. Посчитаем, сколько белков встретится в найденных ортологах. Мы старались выбирать как можно более разные окрестности, но все равно заметно, что система, если и сохраняется, то достаточно полно, хотя относительное расположение генов может меняться. Все указанные гены были отнесены в SEED к правильной системе.

Номер Единица Количество встреч

7 VirB1 9

21 VirB2 14

15

20

14 VirB3 11

3 VirB4 15

8 VirB5 15

11

6 VirB6 15

10

1 VirB8 15

2 VirB9 15

4 VirB10 14

5 VirB11 14

Остальные белки имеют ортологов не более чем в самом близком организме и не рассмотрены. В данных легко прослеживается весь оперон virB от virB1 до virB11 (за исключением разве что VirB7). Отклонений практически нет.

4. База данных String

С помощью базы данных STRING можно выполнить поиск гена VirB8 в Brucella suis 1330 и получить следующий результат при анализе соседства генов:

Как видно, VirB8 ко-локализован со всеми генами. Этот результат компактно отражён в таблице выше. Здесь же приведены краткие описания предполагаемых функций продуктов этих генов. Белок VirB8 секреторной системы IV типа может потребоваться для создания подходящего места репликации в хозяине.

Occurrence View - позволяет определить организмы, содержащие и несодержащие заданный ген (в данном случае VirB8), а также определить "филогенетический профиль". Функционально связанные белки часто имеют сходные филогенетические профили:

Также очень здорово сделана карта "evidence view", отображающая ассоциации между генами. Можно перемещать гены в любую удобную точку на карте (ниже представлены два варианта: 1 - с VirB8 в центре; 2 - со всеми генами по кругу), а также мгновенно узнавать информацию о каждом гене. Всё это даёт возможность представлять результаты не только в необычном виде, но ещё и в очень красивом. По карте, полученной для гена VirB8 (помещён в центр) видно, что он связан в равной степени со всеми генами VirB, которые все между собой тоже связаны:

1 ← Evidence View → 2

5. Заключение

Оперон virB кодирует 11 субъединиц белкового канала секреторной системы IV типа. Эта секреторная система гомологична механизму конъюгации и используется бактерией-паразитом для впрыскивания своих белков напрямую в клетку-хозяина. VirB8 - это бактериальный белок с цитоплазматическим, трансмембранным и периплазматическим регионами. Считается, что он является основным компонентом ДНК-транспортеров. Периплазматический регион взаимодействует с VirB9, VirB10, и с самим собой. Оперон virB достаточно консервативен как целое среди многих бактерий.