Αr15 РНК - Википедия - αr15 RNA

αr15 представляет собой семейство бактериальных малых некодирующих РНК с представителями широкой группы α-протеобактерий отряда Rhizobiales. Первые члены этого семейства (smr15C1 и smrC15C2) были обнаружены тандемно расположенными в одной межгенной области (IGR) Sinorhizobium meliloti 1021 хромосома (С).^[1] Дальнейший анализ гомологии и консервации структуры позволил идентифицировать полноразмерные гомологи Smr15C1 и Smr15C2 в нескольких азотфиксирующих симбиотических ризобиях (т.е. R. leguminosarum bv. Viciae, R. leguminosarum bv. трифоли, Р. этли, и несколько Мезоризобий видов), в патогенах растений, относящихся к Агробактерии виды (т.е. А. tumefaciens, A. vitis, А. radiobacter, и Агробактерии H13), а также в широком спектре Brucella разновидность (B. ovis, B. canis, Б. abortus и Б. микротис, и несколько биоваров B. melitensis). Гомологи Smr15C1 (115 нуклеотидов) и Smr15C2 (121 нуклеотидов) также кодируются тандемно в одной и той же области IGR Ризобий и Агробактерии видов, тогда как у видов Brucella локусы αr15C распространены в IGR хромосомы I. Кроме того, этот анализ также идентифицировал третий локус αr15 во внехромосомных репликонах упомянутых азотфиксирующих α-протеобактерий и в хромосоме II Brucella разновидность. Виды αr15 РНК имеют длину 99–121 нуклеотид (Таблица 1) и имеют четко определенную общую вторичную структуру, состоящую из трех петель ствола (Рисунок 1). Транскрипты семейства αr15 могут быть каталогизированы как транс-активные мРНК, кодируемые независимыми единицами транскрипции с узнаваемыми промоторами и сигнатурами терминации транскрипции в межгенных областях (IGR) геномов α-протеобактерий (рис. 5).

Открытие и структура

Smr15C1 y Smr15C2 мРНК были описаны del Val et al.,^[1] в результате вычислительного сравнительного геномного подхода в межгенных регионах (IGR) эталонного S. meliloti 1021 штамм (http://iant.toulouse.inra.fr/bacteria/annotation/cgi/rhime.cgi ). Хотя первичная нуклеотидная последовательность Smr15C1 y Smr15C2 показала высокое сходство (84% идентичности), можно было сконструировать специфические зонды для каждой мРНК, которые выявляли транскрипты разного размера и профилей экспрессии.^[1]

Эксперименты с 5’-RACE на основе TAP картировали сайты начала транскрипции Smr15C1 и Smr15C2 (TSS) в S. meliloti 1021 геном (http://iant.toulouse.inra.fr/bacteria/annotation/cgi/rhime.cgi ). TSS Smr15C1 был картирован в хромосомном положении 1698731 нуклеотидов, а TSS Smr15C2 - в нуклеотиде 1698937. Предполагалось, что 3'-концы расположены в 1698617 нуклеотидах и 1698817 нуклеотидах соответственно, что соответствует последнему остатку последовательного участка Us добросовестный Rho-независимый терминатор (рис. 5). Параллельное и более позднее обучение,^[2][3] в котором транскрипты Smr15C1 и Smr15C2 упоминаются как две копии sra41 или Sm3 / Sm3 ', независимо подтвердили экспрессию этих мРНК в S. melilloti и его близкородственный штамм 2011. Недавняя характеристика фракции малой РНК (50-350 нуклеотидов) на основе глубокого секвенирования S. meliloti 2011 также выявил экспрессию Smr15C1 и Smr15C2, здесь обозначенных как SmelC411 и SmelC412 соответственно, картируя 5’- и 3´-концы полноразмерных транскриптов по существу в тех же положениях, что и del Val et al. в S. meliloti 1021 хромосома. Однако это исследование идентифицировало дополнительный TSS для Smr15C2 в позиции 1698948.^[4]

Нуклеотидные последовательности Smr15C1 и Smr15C2 изначально использовались в качестве запроса для поиска в базе данных Rfam (версия 10.0; http://rfam.xfam.org ). Этот поиск выявил частичную гомологию обоих транскриптов, ограниченную второй шпилькой и Rho-независимым терминатором, с семейством РНК RF00519, известным как suhB (http://rfam.xfam.org/family/RF00519 ). Однако в этой базе данных не было найдено структурных гомологов полноразмерных мРНК.

Обе S.melilloti αr15 мРНК также подвергали BLAST-анализу с параметрами по умолчанию против всех доступных в настоящее время бактериальных геномов (1615 последовательностей на 20 апреля 2011 г .; https://www.ncbi.nlm.nih.gov ). Области, проявляющие значительную гомологию с запрашиваемой последовательностью (сходство 78-89%), были извлечены для создания модели ковариации (CM) из выравнивания семян с использованием Infernal (версия 1.0).^[5] (Фигура 2). Этот КМ был использован в дальнейшем поиске новых членов семейства αr15 в существующих базах данных бактериального генома.

Рисунок 2: Модель ковариации в стокгольмском формате, показывающая консенсусную структуру для семейства αr15. Каждый стержень, представленный структурной линией # = GC SS_cons, имеет другой цвет, соответствующий красному цвету стержню независимого терминатора rho. Модель ковариации в стокгольмском формате можно скачать здесь.

Результаты были проверены вручную, чтобы вывести консенсусную вторичную структуру для семейства (рисунок 1 и рисунок 2). Структура консенсуса также была независимо предсказана с помощью программы locARNATE.^[6] сравнение полученных прогнозов. Ручная проверка последовательностей, найденных с помощью CM с помощью Infernal, позволила найти 38 истинных гомологов в филогенетически связанных геномах α-протеобактерий. 26 ближайших членов семейства αr15 были обнаружены как тандем в одних и тех же хромосомных IGR для следующих видов, кроме S. melilloti:

• Sinorhizobium разновидность: S. medicae и С. фреди
• Ризобий виды: два R. leguminosarum trifolii (WSM304 и WSM35), два Р. этли штаммы CFN 42 и CIAT 652, эталонные R. leguminosarum bv. Viciae 3841 штамм
• Агробактерии разновидность: A. vitis,А. tumefaciens, А. radiobacter и A. H13

Все эти последовательности показали значительные битовые оценки и адские E-значения (1.71e-28 - 2.03e-20). Однако плазмидные копии всех упомянутых геномов α-протеобактерий и тех членов αr15, кодируемых Brucella разновидность (B. ovis, B. canis, Б. abortus, Б. микротис, и несколько биоваров B. melitensis), Ochrobactrum anthropi и Mesorhizobium lotiпоказали высокие E-значения между (1e-19 и 8e-03), но очень низкие битовые оценки.

Рисунок 1: Консенсусная вторичная структура Smr15C1, Smr15C2 и семейства αr15, предсказанная РНК^[7] и RNAalifold.^[8] Smr15C1 и Smr15C2 раскрашены по базовой вероятностной схеме. Окрашивание структуры семейства αr15 следует схеме сохранения пар оснований: красный: пара оснований встречается во всех последовательностях, используемых для создания консенсуса; желтый: происходит два типа спаривания оснований; Зеленый: происходит три типа спаривания оснований. Затенение пар оснований означает: насыщенные, несогласованные последовательности; Бледный, одна противоречивая последовательность; Очень бледные, две противоречивые последовательности.

Рисунок 3: Филогенетическое распределение известных и предсказанных генов αr9. Числа генов основаны на компьютерном анализе с использованием программы Infernal. Легенда: Smr15C1 = Sinorhizobium meliloti 1021 (NC_003047), Smr15C2 = Sinorhizobium meliloti 1021 (NC_003047), Smr15A = Sinorhizobium meliloti 1021 плазмида pSymA (NC_003037), Smedr15C1 = Sinorhizobium medicae Хромосома WSM419 (NC_009636), Smedr15C2 = Sinorhizobium medicae Хромосома WSM419 (NC_009636), Smedr15p03 = Sinorhizobium medicae Плазмида pSMED03 WSM419 (NC_009622), Sfr15C1 = Sinorhizobium fredii Хромосома NGR234 (NC_012587), Sfr15C2 = Sinorhizobium fredii Хромосома NGR234 (NC_012587), Sfr15b = Sinorhizobium fredii Плазмида NGR234 pNGR234b (NC_012586), Atr15C2 = Agrobacterium tumefaciens ул. Круглая хромосома C58 (NC_003062), Atr15C1 = Agrobacterium tumefaciens ул. Круглая хромосома C58 (NC_003062), AH13r15C2 = Агробактерии sp. Хромосома H13-3 (NC_015183), AH13r15C1 = Агробактерии sp. Хромосома H13-3 (NC_015183), AH13r15a = Агробактерии sp. Плазмида H13-3 pAspH13-3a (NC_015184), ReCIATr15C2 = Rhizobium etli CIAT 652 (NC_010994), ReCIATr15C1 = Rhizobium etli CIAT 652 (NC_010994), ReCIATr15pC = Rhizobium etli Плазмида pC CIAT 652 (NC_010997), ReCIATr15B = Rhizobium etli Плазмида pB CIAT 652 (NC_010996), Arr15CI2 = Agrobacterium radiobacter K84 хромосома 1 (NC_011985), Arr15CI1 = Agrobacterium radiobacter K84 хромосома 1 (NC_011985), Arr15CII = Agrobacterium radiobacter K84 хромосома 2 (NC_011983), Rlt2304r15C2 = Rhizobium leguminosarum bv. trifolii хромосома WSM2304 (NC_011369), Rlt2304r15C1 = Rhizobium leguminosarum bv. trifolii хромосома WSM2304 (NC_011369), Avr15C2 = Agrobacterium vitis S4 хромосома 1 (NC_011989), Avr15C1 = Agrobacterium vitis S4 хромосома 2 (NC_011989), Avr15pAtc = Agrobacterium vitis Плазмида S4 pAtS4c (NC_011984), Avr15Ate = Agrobacterium vitis S4 плазмида pAtS4e (NC_011981), Avr15Ti = Agrobacterium vitis Плазмида S4 pTiS4 (NC_011982), Rlvr15C2 = Rhizobium leguminosarum bv. viciae 3841 (NC_008380), Rlvr15C1 = Rhizobium leguminosarum bv. viciae 3841 (NC_008380), Rlvr15p10 = Rhizobium leguminosarum bv. viciae 3841 плазмида pRL10 (NC_008381), Rlvr15p11 = Rhizobium leguminosarum bv. viciae 3841 плазмида pRL11 (NC_008384), Rlt1325r15C2 = Rhizobium leguminosarum bv. trifolii WSM1325 (NC_012850), Rlt1325r15C1 = Rhizobium leguminosarum bv. trifolii WSM1325 (NC_012850), Rlt1325r15p02 = Rhizobium leguminosarum bv. trifolii WSM1325 плазмида pR132502 (NC_012858), ReCFNr15C2 = Rhizobium etli CFN 42 (NC_007761), ReCFNr15C1 = Rhizobium etli CFN 42 (NC_007761), ReCFNr15d = Rhizobium etli Симбиотическая плазмида CFN 42 p42d (NC_004041), ReCFNr15a = Rhizobium etli CFN 42 плазмида p42a (NC_007762), Mlr15a = Mesorhizobium loti MAFF303099 плазмида pMLa (NC_002679), Bcr15CII = Brucella canis АТСС 23365 хромосома II (NC_010104), Bcr15CI2 = Brucella canis ATCC 23365 хромосома I (NC_010103), Bcr15CI1 = Brucella canis Хромосома I ATCC 23365 (NC_010103), Bs23445r15CI2 = Brucella suis ATCC 23445 хромосома I (NC_010169), Bs23445r15CI1 = Brucella suis ATCC 23445 хромосома I (NC_010169), Bs23445r15CII = Brucella suis ATCC 23445 хромосома II (NC_010167), Bm16MCI = Brucella melitensis bv. 1 ул. 16M хромосома I (NC_003317), Bm16Mr15CII = Brucella melitensis bv. 1 ул. 16M хромосома II (NC_003318), BaS19r15CII = Бруцелла абортус S19 хромосома 2 (NC_010740), BaS19r15CI2 = Бруцелла абортус S19 хромосома 1 (NC_010742), BaS19r15CI1 = Бруцелла абортус S19 хромосома 1 (NC_010742), Bm23457r15CII = Brucella melitensis АТСС 23457 хромосома II (NC_012442), Bm23457r15CI = Brucella melitensis АТСС 23457 хромосома I (NC_012441), Bs1330r15CII = Brucella suis 1330 хромосома II (NC_004311), Bs1330r15CI2 = Brucella suis 1330 хромосома I (NC_004310), Bs1330r15CI1 = Brucella suis 1330 хромосома I (NC_004310), Ba19941r15CI2 = Бруцелла абортус bv. 1 ул. 9-941 хромосома I (NC_006932), Ba19941r15CI1 = Бруцелла абортус bv. 1 ул. 9-941 хромосома I (NC_006932), Ba19941r15CII = Бруцелла абортус bv. 1 ул. 9-941 хромосома II (NC_006933), Bmar15CII = Brucella melitensis биовар Abortus 2308 хромосома II (NC_007624), Bmar15CI2 = Brucella melitensis биовар Abortus 2308 хромосома I (NC_007618), Bmar15CI1 = Brucella melitensis биовар Abortus 2308 хромосома I (NC_007618), Bor15CI2 = Brucella ovis ATCC 25840 хромосома I (NC_009505), Bor15CI1 = Brucella ovis ATCC 25840 хромосома I (NC_009505), Bor15CII = Brucella ovis ATCC 25840 хромосома II (NC_009504), Bmir15CII = Бруцелла микроти CCM 4915 хромосома 2 (NC_013118), Bmr15CI2 = Бруцелла микроти CCM 4915 хромосома 1 (NC_013119), Bmir15CI1 = Бруцелла микроти CCM 4915 хромосома 1 (NC_013119), Oar15CI = Ochrobactrum anthropi ATCC 49188 хромосома 1 (NC_009667), Oar15CII = Ochrobactrum anthropi АТСС 49188 хромосома 2 (NC_009668).

Выражение и функциональная информация

Несколько исследований оценили экспрессию Smr15C1 и Smr15C2 в S. meliloti 1021 в разных биологических условиях; то есть рост бактерий в TY, минимальной среде (MM) и бульоне лютеолин-MM и эндосимбиотических бактериях (т.е. зрелых симбиотических клубеньках люцерны),^[1] высокий солевой стресс, окислительный стресс, стрессы от холодного и горячего шока.^[3] Результаты показали разные профили экспрессии для обеих мРНК,^[1] что согласуется с их организацией в независимых и дифференциально регулируемых единиц транскрипции в пределах одной и той же IGR (Рисунок 4 и Рисунок 5).

Было обнаружено, что экспрессия Smr15C1 и Smr15C2 у свободноживущих бактерий зависит от роста, но противоположным образом. В то время как Smr15C1 накапливается в стационарной фазе, Smr15C2 есть. Экспрессия Smr15C1 и Smr15C2 в свободноживущих бактериях оказалась зависимой от роста, но противоположным образом. В то время как Smr15C1 накапливается в стационарной фазе, Smr15C2 предпочтительно экспрессируется в логарифмических бактериальных культурах.^[1] Кроме того, Schlüter et al.^[4] недавно описали активацию Smr15C2 при холодовом шоковом стрессе, тогда как эффекты понижения температуры не наблюдались в экспрессии Smr15C1. Зависящие от роста противоположные профили экспрессии Smr15C1 и Smr15C2 не наблюдались в их Agrobacterium tumefaciens аналоги, обозначенные как AbcR1 и AbcR2, Wilms et al. (Atr15C1 и Atr15C2 в этой работе). AbcR1 и AbcR2 индуцируются одновременно, и оба накапливаются в стационарной фазе.^[9] Такое поведение согласуется с тем фактом, что AbcR1 и AbcR2 имеют идентичные промоторные последовательности, которые очень похожи на последовательность Smr15C2, но не на промоторную последовательность Smr15C1 (см. Анализ промотора ). Более того, первый подход к функции генов AbcR показал, что эти мРНК подавляют систему захвата ГАМК посредством подавления соответствующих генов транспортеров ABC Hfq-зависимым образом.^[9] ГАМК является одним из сигналов растений, распознаваемых ризобактериями при некоторых взаимодействиях растений с бактериями. Таким образом, эти результаты указывают на отключение синтеза системы захвата ГАМК как на способ, используемый A. tumefaciens для подрыва защитного механизма растений.

Недавний эксперимент по совместной иммунопреципитации^[10] показали, что оба, Smr15C1 и Smr15C2, действительно связывают S. meliloti РНК-шаперон Hfq, подтверждающий также роль этих транскриптов в этой бактерии как транс-действующие антисмысловые риборегуляторы. также было показано, что они точно регулируют усвоение питательных веществ.^[11]

Анализ промоутера

Все локусы αr15 имеют узнаваемые σ⁷⁰-зависимые промоторы, демонстрирующие консенсусный мотив -35 / -10 CTTGAC-n17-CTATAT, который, как ранее было показано, широко консервативен среди нескольких других родов в α-подгруппе протеобактерий.^[12] А множественное выравнивание последовательностей этих промоторных областей выявили консервативный участок последовательности, простирающийся до 80 п.н. выше сайта начала транскрипции во всех локусах αr15, за исключением S. meliloti, S.fredii и S. medicae Промоторы αr15C1.

Чтобы определить сайты связывания для других известных факторов транскрипции, мы использовали последовательности fasta, предоставленные RegPredict.^[13](http://regpredict.lbl.gov/regpredict/help.html ) и использовали те матрицы весовых коэффициентов позиции (PSWM), предоставленные RegulonDB.^[14] (http://regulondb.ccg.unam.mx ). Мы построили PSWM для каждого фактора транскрипции из последовательностей RegPredict с помощью программы Consensus / Patser, выбрав наилучшую окончательную матрицу для длины мотивов от 14 до 30 бит / с, было установлено пороговое среднее значение E <10E-10 для каждой матрицы (см. " Пороговый консенсус "в http://gps-tools2.its.yale.edu ). Кроме того, мы провели поиск консервативных неизвестных мотивов с использованием цМема^[15] (http://meme.sdsc.edu/meme4_6_1/intro.html ) и использовали расслабленные регулярные выражения (т. е. сопоставление с образцом) для всех промоторов гомологов αr15.

Эти исследования выявили разницу в регулировании между S. melilloti, S.fredii и S. medicae мРНК αr15C1 и остальные члены семейства αr15 независимо от группы их происхождения (Ризобий или же Агробактерии ) и геномной локализации (αr15C1, αr15C2, αr15 плазмида) (Рисунок 4).

Остальные члены семейства представили очень хорошо консервативную область длиной 30 п.н. между положениями -36 и -75. Эта консервативная область была использована для запроса баз данных известных мотивов факторов транскрипции с помощью TomTom,^[16] наиболее подходящим мотивом был SMb20667_Rhizobiales, мотив, принадлежащий RegTransBase (http://regtransbase.lbl.gov/cgi-bin/regtransbase?page=main ). Smb20667 соответствует сайту связывания регулятора метаболизма дикарбоксилата у Rhizobiales, который принадлежит к семейству LacI. Этот мотив был идентифицирован кластеризацией генов тартратдегидрогеназы, сукцинат-полуальдегиддегидрогеназы, 3-гидроксиизобутиратдегидрогеназы и гидроксипируват-изомеразы в S. meliloti, и несколько Ризобии и он отмечен на рисунке выравнивания промотора (рис. 5) оранжевой рамкой. Кроме того, была обнаружена другая консервативная последовательность с использованием MEME в промоторной области Sinorhizobium вид αr15C1. Эта консервативная область была использована для запроса баз данных известных мотивов факторов транскрипции с помощью TomTom, и наиболее подходящим мотивом был SMb20537_Rhizobiales (рис. 5, выделенный красным), который также идентифицирует сайт связывания для регулятора утилизации сахара у Rhizobiales из семейства LacI.

Фигура 5: Графическое представление промоторной области семенных членов 15С. Все члены представили предполагаемые промоторы σ70 с прямоугольниками -30 и -10, отмеченными зеленым и красным цветом соответственно. Сохраненные мотивы отмечены оранжевыми и красными прямоугольниками.

Геномный контекст

Большинство членов семейства αr15 являются транскодируемыми мРНК, транскрибируемыми с независимых промоторов в хромосомных IGR. Многие из соседних генов членов αr15 не были аннотированы, и, таким образом, они были дополнительно обработаны вручную.^[17][18][19] В результате мы смогли разделить членов семьи на четыре подгруппы в соответствии с их геномным контекстом. В первую группу входят тандемные локусы αr15C1 и αr15C2 Ризобий, Sinorhizobium и Агробактерии разновидность. Они демонстрируют высокую степень консервативности в верхнем и нижнем генах, которые, как было предсказано, кодируют регулятор транскрипции LysR и белок регулятора транскрипции AsR соответственно (рис. 5). Единственное исключение в этой группе было найдено для С. фреди это представляло совсем другой геномный контекст. Во вторую группу входят локусы αr15CI1 в Brucella видов (дополнительный файл 2), которые представили очень хорошо консервативный геномный контекст (аспартатаминотрансфераза и LysR / неизвестный регулятор транскрипции) с частичной синтенией для первой группы. Совершенно иной геномный контекст, даже частично не консервативный в большинстве случаев, присутствовал во всех плазмидных локусах αr15 (дополнительный файл 1), который объединяет определенную группу 3, где фланкирующие гены соответствуют белкам-переносчикам ABC, эксисоназе или транспозазе среди другие. Локусы αr15CI2 в Brucella виды (дополнительный файл 3) соответствуют четвертой группе и представили консервативный геномный контекст вверх и вниз по течению, кодируя все области для UDP-3-O-гидроксимиристоил N-ацетилглюкозаминдеацетилазы и белка деления клеток GTPAse FtsZ. Последней группе соответствуют локусы αr15CII в Brucella группа (дополнительный файл 4), где только один из генов мог быть аннотирован всегда как глициндешидрогеназа, другое фланкирующее положение мРНК в основном компенсировалось гипотетическим белком, консервативным в группе Brucella, к которому не могло быть привязано ни один домен, мотив или функциональная аннотация GO назначенный.

Рисунок 4: Схема контекста генома Smr15 и его ближайших гомологов в других организмах. Гены αr15 РНК представлены красными стрелками, а фланкирующие ORF - стрелками разного цвета в зависимости от их функции продукта (легенда). Цифры указывают координаты гена αr15 РНК и фланкирующих ORF в базе данных генома каждого организма. Нить гена представлена ​​направлением файла. Слева от рисунка использованы идентификационные названия, соответствующие определенному организму: Условные обозначения: αr15_Smr15C = Sinorhizobium meliloti 1021 (NC_003047), αr15_Smedr15C = Sinorhizobium medicae Хромосома WSM419 (NC_009636), αr15_Sfr15C = Sinorhizobium fredii NGR234 хромосома (NC_012587), αr15_Atr15C = Agrobacterium tumefaciens ул. Круглая хромосома C58 (NC_003062), αr15_AH13r15C = Агробактерии sp. Хромосома H13-3 (NC_015183), αr15_ReCIATr15C = Rhizobium etli CIAT 652 (NC_010994), αr15_Arr15CI = Agrobacterium radiobacter K84 хромосома 1 (NC_011985), αr15_Rlt2304r15C = Rhizobium leguminosarum bv. trifolii хромосома WSM2304 (NC_011369), αr15_Avr15C = Agrobacterium vitis S4 хромосома 1 (NC_011989), αr15_Rlvr15C = Rhizobium leguminosarum bv. viciae 3841 (NC_008380), αr15_Rlt1325r15C = Rhizobium leguminosarum bv. trifolii WSM1325 (NC_012850), αr15_ReCFNr15C = Rhizobium etli CFN 42 (NC_007761).

Дополнительные файлы:

• Геномный контекстный граф копий плазмиды семейства αr15 Изображение: Smbr15 1.png
• Геномный контекстный граф локусов αr15CI1 в Brucella группа Изображение: Smbr15 2.png
• Граф контекстного генома локусов αr15CI2 в Brucella группа Изображение: Smbr15 3.png
• Граф геномного контекста локусов αr15CII в Brucella группа Изображение: Smbr15 4.png

Рекомендации