Акрилатредуктаза анаэробной электрон-транспортной цепи морской бактерии shewanella woodyi

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В отсутствии кислорода многие микроорганизмы способны к анаэробному дыханию с использованием различных органических соединений в качестве терминальных акцепторов для электрон-транспортной цепи. В представленной работе произведена идентификация белка, ответственного за восстановление акрилата в анаэробной дыхательной цепи морской бактерии Shewanella woodyi. Показано, что полученные при разделении периплазматических белков S. woodyi фракции, обладающие акрилатредуктазной активностью, содержат белок ArdA (Swoo_0275) в качестве основного компонента. Гетерологичная экспрессия генов ardA/ardB (swoo_0275/swoo_0276), но не одиночного гена ardA (swoo_0275) в клетках Shewanella oneidensis MR-1 приводит к появлению в их периплазме несвойственной для этой бактерии акрилатредуктазной активности. Эти данные позволяют заключить, что флавоцитохром c ArdAB (Swoo_0275/Swoo_0276) ответственен за восстановление акрилата в клетках S. woodyi. ArdAB обладает высокой субстратной специфичностью и, кроме акрилата среди других 2-еноатов, способен восстанавливать только метакрилат, хотя и с 22-кратно меньшей скоростью по сравнению с восстановлением акрилата. Экспрессия гена ardA индуцируется присутствием акрилата или метакрилата в среде при анаэробном выращивании S. woodyi, что сопровождается появлением акрилатредуктазной активности в периплазме этой бактерии. Восстановление акрилата с помощью ArdAB позволяет осуществлять диметилсульфониопропионатзависимое анаэробное дыхание S. woodyi и, по-видимому, многих других морских бактерий.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Ю. В. Берцова

НИИ физико-химической биологии имени А.Н. Белозерского, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Автор, ответственный за переписку.
Email: bogachev@belozersky.msu.ru
Россия, Москва

М. В. Серебрякова

НИИ физико-химической биологии имени А.Н. Белозерского, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Email: bogachev@belozersky.msu.ru
Россия, Москва

В. А. Богачев

НИИ физико-химической биологии имени А.Н. Белозерского, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Email: bogachev@belozersky.msu.ru
Россия, Москва

А. А. Байков

НИИ физико-химической биологии имени А.Н. Белозерского, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Email: bogachev@belozersky.msu.ru
Россия, Москва

А. В. Богачев

НИИ физико-химической биологии имени А.Н. Белозерского, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Email: bogachev@belozersky.msu.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Bertsova, Y. V., Serebryakova, M. V., Baykov, A. A., and Bogachev, A. V. (2022) A novel, NADH-dependent acrylate reductase in Vibrio harveyi, Appl. Environ. Microbiol., 88, e0051922, https://doi.org/10.1128/aem.00519-22.
  2. Mikoulinskaia, O., Akimenko, V., Galouchko, A., Thauer, R. K., and Hedderich, R. (1999) Cytochrome c-dependent methacrylate reductase from Geobacter sulfurreducens AM-1, Eur. J. Biochem., 263, 346-352, https://doi.org/10.1046/j.1432-1327.1999.00489.x.
  3. Gross, R., Simon, J., and Kröger, A. (2001) Periplasmic methacrylate reductase activity in Wolinella succinogenes, Arch. Microbiol., 176, 310-313, https://doi.org/10.1007/s002030100323.
  4. Bogachev, A. V., Bertsova, Y. V., Bloch, D. A., and Verkhovsky, M. I. (2012) Urocanate reductase: Identification of a novel anaerobic respiratory pathway in Shewanella oneidensis MR-1, Mol. Microbiol., 86, 1452-1463, https:// doi.org/10.1111/mmi.12067.
  5. Bertsova, Y. V., Serebryakova, M. V., Anashkin, V. A., Baykov, A. A., and Bogachev, A. V. (2024) A redox-regulated, heterodimeric NADH:cinnamate reductase in Vibrio ruber, Biochemistry (Moscow), 89, 241-256, https://doi.org/ 10.1134/S0006297924020056.
  6. Little, A. S., Younker, I. T., Schechter, M. S., Bernardino, P. N., Méheust, R., Stemczynski, J., Scorza, K., Mullowney, M. W., Sharan, D., Waligurski, E., Smith, R., Ramanswamy, R., Leiter, W., Moran, D., McMillin, M., Odenwald, M. A., Iavarone, A. T., Sidebottom, A. M., Sundararajan, A., Pamer, E. G., Eren, A. M., and Light, S. H. (2024) Dietary- and host-derived metabolites are used by diverse gut bacteria for anaerobic respiration, Nat. Microbiol., 9, 55-69. https://doi.org/10.1038/s41564-023-01560-2.
  7. Van der Maarel, M. J. E. C., van Bergeijk, S., van Werkhoven, A. F., Laverman, A. M., Meijer, W. G., Stam, W. T., and Hansen, T. A. (1996) Cleavage of dimethylsulfoniopropionate and reduction of acrylate by Desulfovibrio acrylicus sp. nov., Arch. Microbiol., 166, 109-115, https://doi.org/10.1007/s002030050363.
  8. Curson, A. R., Todd, J. D., Sullivan, M. J., and Johnston, A. W. (2011) Catabolism of dimethylsulphoniopropionate: microorganisms, enzymes and genes, Nat. Rev. Microbiol., 9, 849-859, https://doi.org/10.1038/nrmicro2653.
  9. Curson, A. R., Sullivan, M. J., Todd, J. D., and Johnston, A. W. (2011) DddY, a periplasmic dimethylsulfoniopropionate lyase found in taxonomically diverse species of Proteobacteria, ISME J., 5, 1191-1200, https://doi.org/10.1038/ismej.2010.203.
  10. Arkhipova, O. V., Meer, M. V., Mikoulinskaia, G. V., Zakharova, M. V., Galushko, A. S., Akimenko, V. K., and Kondrashov, F. A. (2015) Recent origin of the methacrylate redox system in Geobacter sulfurreducens AM-1 through horizontal gene transfer, PLoS One, 10, e0125888, https://doi.org/10.1371/journal.pone.
  11. Todd, J. D., Curson, A. R., Sullivan, M. J., Kirkwood, M., and Johnston, A. W. (2012) The Ruegeria pomeroyi acuI gene has a role in DMSP catabolism and resembles yhdH of E. coli and other bacteria in conferring resistance to acrylate, PLoS One, 7, e35947, https://doi.org/10.1371/journal.pone.0035947.
  12. Peek, J. A., and Taylor, R. K. (1992) Characterization of a periplasmic thiol:disulfide interchange protein required for the functional maturation of secreted virulence factors of Vibrio cholerae, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 89, 6210-6214, https://doi.org/10.1073/pnas.89.13.6210.
  13. Bertsova, Y. V., Kostyrko, V. A., Baykov, A. A., and Bogachev, A. V. (2014) Localization-controlled specificity of FAD:threonine flavin transferases in Klebsiella pneumoniae and its implications for the mechanism of Na+-translocating NADH:quinone oxidoreductase, Biochim. Biophys. Acta, 1837, 1122-1129, https://doi.org/10.1016/ j.bbabio.2013.12.006.
  14. Smith, P. K., Krohn, R. I., Hermanson, G. T., Mallia, A. K., Gartner, F. H., Provenzano, M. D., Fujimoto, E. K., Goeke, N. M., Olson, B. J., and Klenk, D. C. (1985) Measurement of protein using bicinchoninic acid, Anal. Biochem., 150, 76-85, https://doi.org/10.1016/0003-2697(85)90442-7.
  15. Laemmli, U. K. (1970) Cleavage of structural proteins during the assembly of the head of bacteriophage T4, Nature, 227, 680-685, https://doi.org/10.1038/227680a0.
  16. Thomas, P. E., Ryan, D., and Levin, W. (1976) An improved staining procedure for the detection of the peroxidase activity of cytochrome P-450 on sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gels, Anal. Biochem., 75, 168-176, https://doi.org/10.1016/0003-2697(76)90067-1.
  17. Saha, C. K., Sanches Pires, R., Brolin, H., Delannoy, M., and Atkinson, G. C. (2021) FlaGs and webFlaGs: discovering novel biology through the analysis of gene neighbourhood conservation, Bioinformatics, 37, 1312-1314, https:// doi.org/10.1093/bioinformatics/btaa788.
  18. Sievers, F., and Higgins, D. G. (2018) Clustal Omega for making accurate alignments of many protein sequences, Protein Sci., 27, 135-145, https://doi.org/10.1002/pro.3290.
  19. Teufel, F., Almagro Armenteros, J. J., Johansen, A. R., Gíslason, M. H., Pihl, S. I., Tsirigos, K. D., Winther, O., Brunak, S., von Heijne, G., and Nielsen, H. (2022) SignalP 6.0 predicts all five types of signal peptides using protein language models, Nat. Biotechnol., 40, 1023-1025, https://doi.org/10.1038/s41587-021-01156-3.
  20. Taboada, B., Estrada, K., Ciria, R., and Merino, E. (2018) Operon-mapper: a web server for precise operon identification in bacterial and archaeal genomes, Bioinformatics, 34, 4118-4120, https://doi.org/10.1093/bioinformatics/bty496.
  21. Feng, C. Q., Zhang, Z. Y., Zhu, X. J., Lin, Y., Chen, W., Tang, H., and Lin, H. (2019) iTerm-PseKNC: a sequence-based tool for predicting bacterial transcriptional terminators, Bioinformatics, 35, 1469-1477, https://doi.org/10.1093/ bioinformatics/bty827.
  22. Makemson, J. C., Fulayfil, N. R., Landry, W., van Ert, L. M., Wimpee, C. F., Widder, E. A., and Case, J. F. (1997) Shewanella woodyi sp. nov., an exclusively respiratory luminous bacterium isolated from the Alboran Sea, Int. J. Syst. Bacteriol., 47, 1034-1039, https://doi.org/10.1099/00207713-47-4-1034.
  23. Dobbin, P. S., Butt, J. N., Powell, A. K., Reid, G. A., and Richardson, D. J. (1999) Characterization of a flavocytochrome that is induced during the anaerobic respiration of Fe3+ by Shewanella frigidimarina NCIMB400, Biochem. J., 342, 439-448, https://doi.org/10.1042/bj3420439.
  24. Morris, C. J., Black, A. C., Pealing, S. L., Manson, F. D., Chapman, S. K., Reid, G. A., Gibson, D. M., and Ward, F. B. (1994) Purification and properties of a novel cytochrome: flavocytochrome c from Shewanella putrefaciens, Biochem. J., 302, 587-593, https://doi.org/10.1042/bj3020587.
  25. Czjzek, M., Dos Santos, J. P., Pommier, J., Giordano, G., Méjean, V., and Haser, R. (1998) Crystal structure of oxidized trimethylamine N-oxide reductase from Shewanella massilia at 2.5 Å resolution, J. Mol. Biol., 284, 435-447, https://doi.org/10.1006/jmbi.1998.2156.
  26. Sucheta, A., Ackrell, B. A., Cochran, B., and Armstrong, F. A. (1992) Diode-like behavior of a mitochondrial electron-transport enzyme, Nature, 356, 361-362, https://doi.org/10.1038/356361a0.
  27. Sieburth, J. M. (1961) Antibiotic properties of acrylic acid, a factor in the gastrointestinal antibiosis of polar marine animals, J. Bacteriol., 82, 72-79, https://doi.org/10.1128/jb.82.1.72-79.1961.
  28. Arkhipova, O. V. (2023) Methacrylate redox systems of anaerobic bacteria, Appl. Biochem. Microbiol., 59, 766-777, https://doi.org/10.1134/S0003683823060017.
  29. Romine, M. F., Carlson, T. S., Norbeck, A. D., McCue, L. A., and Lipton, M. S. (2008) Identification of mobile elements and pseudogenes in the Shewanella oneidensis MR-1 genome, Appl. Environ. Microbiol., 74, 3257-3265, https:// doi.org/10.1128/AEM.02720-07.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Катализируемая DMSP-лиазой DddY реакция разложения диметилсульфониопропионата

Скачать (85KB)
Метаданные
3. Рис. 2. dddY-Ассоциированные гены морской бактерии Shewanella woodyi. а – Расположение dddY-ассоциированных генов на хромосоме S. woodyi: swoo_0272 – ген NADPH:акрилоил-CoA-оксидоредуктазы; swoo_0273 – гипотетического белка с неизвестными функциями; swoo_0274 – регулятора транскрипции; swoo_0275 – флавинсодержащей субъединицы флавоцитохрома с; swoo_0276 – тетрагемового цитохрома с; swoo_0277 – DMSP-лиазы DddY (https://www.kegg.jp/kegg-bin/show_organism?org=T00676). б – Выравнивание аминокислотных последовательностей цитохром c:фумарат-оксидоредуктазы из S. oneidensis MR-1 (So_FccA, GenBank: AAN54044), NADH:фумарат-оксидоредуктазы из Klebsiella pneumoniae (Kp_Frd, B5XRB0), субъединицы SdhA сукцинатдегидрогеназы из Escherichia coli (Ec_SdhA, HDZ3930178), NADH:акрилат-оксидоредуктазы из V. harveyi (Vh_Ard, P0DW92), белка Swoo_0275 S. woodyi (Sw_0275, ACA84576) и флавоцитохрома c из H. aestuarii (Ha_flc, SHJ73509). Два приведённых фрагмента выравнивания содержат аминокислотные остатки (выделены синим и зелёным цветом), вовлечённые в связывание соответственно C4- и C1-карбоксилатов фумарата в фумаратредуктазах, а также остатки (выделены жёлтым), участвующие в переносе протона к фумарату

Скачать (806KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Выделение Ard из клеток S. woodyi. а – Разделение периплазматической фракции клеток S. woodyi, выращенных анаэробно в присутствии акрилата, с помощью ионообменной хроматографии на DEAE-сефарозе. Поглощение света при 405 нм показано синей кривой, концентрация NaCl показана пунктиром. Красными квадратами обозначена акрилатредуктазная активность в полученных фракциях. б – ДСН-ПААГЭ полученного препарата Ard. На каждую дорожку наносили по 2 мкг белка. Гель окрашивали либо на белок с помощью Кумасси (левая панель), либо на гем C с помощью тетраметилбензидина/H2O2 (правая панель). Полосы с числами с левой стороны указывают положение белковых маркеров молекулярных весов. Белковые полосы, идентифицированные с помощью MALDI-MS, указаны с правой стороны

Скачать (344KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Идентификация простетических групп Ard. а – Разделение нековалентно связанных с Ard флавинов с помощью ВЭЖХ. Объёмы удержания стандартов FAD, FMN и рибофлавина (Rf) показаны стрелками. б – Спектры поглощения окисленного воздухом (синяя кривая) и восстановленного дитионитом (красная кривая) препаратов Ard. Спектры измеряли в 100 мМ Tris-HCl (pH 8,0) буфере, содержащем 0,1 мг/мл Ard. Специфичные для цитохромов c максимумы поглощения γ- и α-полос показаны стрелками

Скачать (314KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Каталитические характеристики Ard из S. woodyi. а – Зависимость ферментативной активности Ard от концентрации акрилата (синие квадраты) или метакрилата (красные квадраты). Показаны значения акрилат- и метакрилатредуктазных активностей Ard, полученные с помощью анализа интегральной кинетики восстановления акцепторов в 0,5–50 мкМ диапазоне концентраций (мет)акрилата. Линиями показаны результаты фиттирования полученных данных уравнением Михаэлиса–Ментен (данные для метакрилата в увеличенном масштабе приведены на рис. S2 Приложения). б – Типичные кривые окисления MV в присутствии Ard. Добавки 1 или 0,1 мМ акрилата (Acr) и 1 мМ метакрилата (Mac) указаны стрелками. Числа над кривыми указывают остаточную ферментативную активность Ard после добавки метакрилата, где активность до этой добавки принимали за 100%

Скачать (273KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Анаэробный рост S. woodyi в присутствии различных акцепторов электронов. Начальная оптическая плотность при посеве культуры составляла 0,005. Клетки выращивали анаэробно при 25 °C в течение 18 ч. Где указано, в среду роста добавляли 10 мМ метакрилат (Mac), DMSP или DMSO (столбец «нет» – без добавления акцепторов). Показаны конечные значения оптической плотности культур при 600 нм, планки погрешностей указывают стандартные отклонения для трёх биологических повторов

Скачать (174KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024