Реконструкция регуляции метаболизма метионина

Татьяна Холина, Москва, МГУ ФББ
Софья Шерстнева, Москва, школа №463
Инна Суворова, ИППИ РАН
Семен Лейн, ИППИ РАН
Реконструкция регуляции метаболизма метионина
Методы
Введение
Регуляция метаболизма метионина у бактерий
осуществляется факторами транскрипции MetR
(LysR семейство) и MetJ.
Целью нашей работы было реконструировать
регулоны MetR и MetJ в различных таксономических
группах, сравнить их между собой и ранее
описанными
регулонами
Enterobacteriales
и
Shewanellaceae,
проследить
эволюционные
изменения.
Результаты
Поиск гомологов осуществлялся с помощью программы BLAST. Реконструкция регулонов, поиск
ортологов, построение профилей (PWM) осуществлялись при помощи RegPredict. Для каждой
таксономической группы был построен собственный профиль. Поиск потенциальных мотивов связывания
осуществлялся методом филогенетического футпринтинга. Принадлежность гена к регулону проверялась
методом проверки соответствия.
Для выравнивания белковых и нуклеотидных последовательностей использовалась программа
MUSCLE. Для построения филогенетических деревьев мы пользовались пакетом программ Phylip, а
также программой Dendroscope для их визуализации. Диаграммы LOGO были получены при помощи
WebLogo. Кроме того, мы пользовались такими базами данных, как NCBI, RegPrecise, KEGG,
MicrobesOnline, GLAMM, SEED.
Таблица 1. Строение регулонов метаболизма метионина MetJ и MetR
MetR
Oceanospirillales/Alteromonadales
Alteromonadales
2-keto-4-methylthiobutyrate
mtnC
2, 3-diketo-5-methylthiopentyl-1-phosphate
mtnB
mtnD
Rhodobacterales
1, 2-dihydroxy-3-keto-5-methylthiopentene
S-adenosylmethioninamine
MetR and MetJ
5-methylthioribulose-1-phosphate
mtnA
are two transcription
mtnK
mtnN
5-methylthioribose-1-phosphate
MTR
MTA
regulators of the
methionine metabolism
Рис. 1. Схема метаболизма метионина
Синим цветом показана регуляция MetJ, красным – MetR, фиолетовым –
in bacteria. We have
двойная регуляция
reconstructed methionine
Fig. 1. Scheme of the methionine metabolism
regulons in various taxonomic ,
Blue color denotes MetJ regulation, red – MetR, violet – dual regulation
groups. It has been shown that MetJ
controls expression of most methionine
metabolic genes, but is present in only few taxa,
while MetR is found in many different Proteobacteria,
but regulates only a few genes. Presumably, those bacteria
that lack MetJ have yet unidentified transcription regulators of the
methionine metabolism. Moreover, in some Betaproteobacteria and
Pseudomonadales we have discovered new LysR-family regulators, homologous
to MetR, that control metC and some other methionine metabolic genes.
Shewanellaceae
Group 2
Psychromonadaceae/
Aeromonadales
Group 1
Enterobacteriales
Pseudomonadaceae
S
H
E
W
A
N
E
L
L
A
C
E
A
E
Vibrionales
Oceanospirillales/Alteromonadales
Ralstonia
Pasteurellales
Burkholderia
Рис. 2. Филограммы транскрипционных факторов MetJ и MetR
Показаны таксономические группы и диаграммы LOGO мотивов связывания
Fig. 2. Phylogenetic trees of MetJ and MetR transcription factors
Taxonomic groups and LOGO diagrams of binding motifs are shown
A
L
T
E
R
O
M
O
N
A
D.
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
0
0
+
+
+
0
+
0
+
+
+
Salmonella typhimurium
+
+
+
0
+
+
+
+
+
+
+
0
0
+
0
+
0
+
0
+
+
+
Citrobacter koseri
+
+
+
0
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Klebsiella pneumoniae
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Enterobacter sp. 638
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Erwinia amylovora
+
+
+
0
0
+
+
+
+
+
+
+
0
0
0
+
+
+
0
+
+
+
Yersinia pestis KIM
+
+
+
0
+
+
+
0
+
+
+
0
+
+
0
0
0
+
0
+
+
+
Serratia proteamaculans 568
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Erwinia carotovora
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
0
+
+
+
+
+
0
+
+
+
Edwardsiella tarda
+
0
+
0
+
+
+
+
+
+
+
0
0
+
0
0
0
+
+
+
+
+
Proteus mirabilis
+
+
+
0
+
+
+
+
+
+
+
0
0
+
0
0
0
+
0
+
+
+
Photorhabdus luminescens
+
+
+
0
+
+
+
+
+
+
+
0
0
0
0
0
0
+
+
+
+
+
Haemophilus influenzae
+
+
+
+
+
+
+
0
0
+
+
Aggregatibacter aphrophilus
+
+
+
+
+
+
+
0
0
+
+
Pasteurella multocida
+
+
+
+
+
+
+
0
0
+
+
Mannheimia succiniciproducens
+
+
+
+
+
+
0
+
0
+
+
Actinobacillus succinogenes
+
+
+
+
+
0
0
+
+
+
+
Haemophilus somnus
+
+
+
+
+
+
+
0
0
+
+
Actinobacillus
pleuropneumoniae
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Haemophilus ducreyi
+
0
+
0
0
0
0
0
0
+
0
Haemophilus parasuis
+
+
+
+
+
+
+
0
0
+
+
Vibrio cholerae
+
+
+
0
+
0
+
+
+
+
+
0
+
0
+
+
Vibrio vulnificus
+
+
+
+
0
+
+
+
+
+
+
+
+
0
+
+
Vibrio harveyi
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Vibrio parahaemolyticus
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
0
+
+
Vibrio shilonii
+
+
+
+
+
0
+
+
+
+
+
0
+
+
+
+
Vibrio splendidus
+
+
+
+
+
+
+
+
+
0
+
+
+
+
+
+
Vibrio fischeri
+
+
+
0
0
+
+
+
+
+
+
0
+
0
+
+
Vibrio salmonicida
+
+
+
0
0
+
+
+
+
+
0
0
+
0
+
+
Vibrio angustum
+
+
+
0
+
+
+
+
+
0
0
+
+
+
+
+
Photobacterium profundum
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
0
+
0
+
+
Psychromonas ingrahamii 37
+
+
+
0
0
0
0
+
0
+
0
+
+
0
+
+
Psychromonas sp. CNPT3
+
0
+
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
+
+
Moritella sp. PE36
+
+
+
+
+
0
+
+
0
0
+
+
+
0
+
+
Aeromonas hydrophila
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Aeromonas salmonicida
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
0
+
+
+
+
+
Tolumonas auensis
+
+
+
0
0
0
+
+
+
+
+
+
+
0
+
+
Shewanella oneidensis
+
+
0
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
0
+
+
+
Shewanella putrefaciens
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Shewanella sp W3-18-1
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Shewanella sp ANA-3
+
+
0
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
0
+
+
+
Shewanella sp MR-4
+
+
0
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
0
+
+
+
Shewanella sp MR-7
+
+
0
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
0
+
+
+
Shewanella baltica
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Shewanella denitrificans
+
+
0
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
0
+
+
+
Shewanella frigidimarina
+
+
0
+
+
+
+
+
+
+
+
0
+
0
+
+
+
Shewanella amazonensis
+
+
0
+
+
+
+
+
0
+
+
+
+
0
+
+
+
Shewanella loihica
+
+
0
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
0
+
+
+
Shewanella pealeana
+
+
0
+
+
+
+
+
0
+
+
+
+
0
+
+
+
Shewanella halifaxensis
+
+
0
+
+
+
+
+
+
+
+
0
+
0
+
+
+
Shewanella piezotolerans
+
+
0
+
+
+
+
+
+
+
0
0
+
0
+
+
+
Shewanella sediminis
+
+
0
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
0
+
+
+
Shewanella woodyi
+
+
0
+
+
+
+
+
+
+
+
0
+
0
+
+
+
Pseudoalteromonas atlantica
+
0
0
+
0
+
0
0
+
0
+
0
0
0
0
+
+
+
Alteromonas macleodii
+
0
0
0
0
+
0
0
0
0
+
+
+
+
0
+
+
+
Glaciecola sp. HTCC2999
+
0
0
0
0
+
0
0
+
0
+
+
+
+
0
+
+
+
Colwellia psychrerythraea
+
+
+*
+
+
+
0
+
+
+
0
0
+
0
0
+
+
+
Alteromonadales bacterium
+
+
+
+
+
+
0
+
+
+
0
+
+
+
0
+
+
+
Pseudoalteromonas haloplanktis
+
+
+
+
+
+
0
+
+
+
0
+
+
+
+
+
+
+
Pseudoalteromonas tunicata
+
+
+
+
+
+
0
+
0
+
0
+
+
+
+
+
+
+
Idiomarina baltica
+
0
0
+
+
0
+
0
+
0
0
0
0
0
0
+
+
0
Idiomarina loihiensis
+
0
+*
+
+
0
+
0
+
0
0
0
0
0
0
+
+
0
+
thrABC
mtnE
Burkholderia
P
S
Y
C
H
R.
asd
metT
S-adenosylmethionine
folE
folE
GTP
Methionine
metK
luxS
metNIQ
glyA
TH
F
mccBA
mmuM
glyA
Serine
S-methylmethionine
5-methyl-THF
metK
5,10-methylene-THF
mtnABCDK
Glycine
Vibrionales
mtnE
Shewanellaceae
metF/metF2
mmuM
metE/metE2
metH
mmuP
Cobalt
metE2-2
Vitamin B12
metE2
metH
btuB
mtsABC
metE
S-adenosylhomocysteine
Homocysteine
metF
Cystathionine
metF-II
luxS+mtnN
metC
metC
metB
mccBA
V
I
B
R
I
O
N
A
L
E
S
metY
metY
O-acetylhomoserine
metB
O-succinyhomoserine
P
A
S
T
E
U
R
E
L
L
A
L
E
S
metX
Pasteurellales
metA
Threonine
metX
metA
Cystein
Alteromonadales
metL
Homoserine
thrBC
E
N
T
E
R
O
B
A
C
T
E
R
I
A
L
E
S
mtsABC
metL, thrA
Escherichia coli
Genomes/Regulated genes
metT
Aspartate-4-semialdehyde
btuB
Psychromonadaceae/Aeromonadales
mmuP
4-phospho-aspartate
asd
Enterobacteriales
metNIQ
MetJ
metL, thrA
metR
Aspartate
metJ
Мы реконструировали регулоны MetR и MetJ для всех выбранных групп бактерий и выявили их мотивы связывания.
Было показано, что MetR встречается во многих семействах Proteobacteria, но узкоспецифичен и регулирует малый участок
метаболической сети.
В то же время MetJ был обнаружен только среди Gammaproteobacteria, однако регулирует большую часть генов
метаболизма метионина. При этом в данных таксонах MetR, как правило, находится под регуляцией MetJ. Отсутствие MetJ во
многих группах бактерий позволяет предположить наличие других регуляторов метаболизма метионина.
Кроме того, в ряде Betaproteobacteria и Pseudomonadaceae были обнаружены два близких LysR-регулятора, гомологичных
MetR. Для них также были идентифицированы мотивы связывания и реконструированы регулоны. В состав обоих регулонов
входили гены metC, а также еще одной цистатион бета-лиазы. У представителей Pseudomonadaceae регулон также включал
гены аспартат аминотрансферазы и ABC-транспортера аминокислот.
Синим цветом показана регуляция MetJ, красным – MetR, фиолетовым – двойная регуляция; + – ген
присутствует в геноме, 0 – отсутствие ортолога
Table 1. Structure of the MetJ and MetR regulons of methionine metabolism
Blue color denotes MetJ regulation, red – MetR, violet – dual regulation; + the gene is present, 0 – no
orthologous genes in genome