каріогенного

  • Предмети
  • Резюме
  • Вступ
  • Результати
  • Філогенетичний аналіз ферментів сімейства глікозилгідролаз 70
  • Картування геномного розташування сімейства 70 глікозилгідролази
  • Філогенетичний аналіз каталітичного домену в стрептококових ГТФ
  • Філогенетичний аналіз домену, що зв’язує глюкан, у стрептококових ГТФ
  • Обговорення
  • Методи
  • Глікозилгідролаза сімейства 70 послідовностей
  • Пошук гомології та сімейства білків
  • Філогенетичний аналіз
  • Картування геномного розташування сімейства 70 глікозилгідролази
  • Додаткова інформація
  • Файли PDF
  • Додаткова інформація
  • Коментарі

Предмети

  • Екологічна мікробіологія
  • Мікробна генетика
  • Молекулярна еволюція
  • Збудники хвороб

Резюме

Набуття здатності виробляти полісахариди із сахарози, тобто гена gtf, що кодує глюкозилтрансферазу (GTF), є ключовою еволюційною подією, яка дозволяє формувати зубні біоплівки стрептококами. Щоб з’ясувати походження стрептококових ГТФ, терміни їх виникнення та порядок конкретних подій, ми дослідили розподіл ГТФ серед бактерій за допомогою філогенетичного аналізу ферментів сімейства глікозилгідролази 70. Ми виявили, що стрептококові ГТФ були отримані з інших молочнокислих бактерій, таких як Lactobacillus та Leuconostoc, і ми пропонуємо таку еволюційну модель: горизонтальний перенос генів через транспозони відбувався, коли стрептококи стикалися з молочнокислими бактеріями, що містяться у ферментованих продуктах харчування. Внутрішньогенне дублювання генів було спричинене вторинним тиском відбору, таким як споживання рафінованого цукру. Отримані нами результати щодо розвитку Streptococcus mutans забезпечують важливу основу для вивчення взаємозв'язку між історичним поширенням карієсу зубів та антропологічними факторами.

Вступ

У людини карієс зубів визначається як демінералізація зубів шляхом бактеріального виробництва органічної кислоти з ферментованих субстратів, таких як моносахариди, олігосахариди та оброблені полісахариди 1, 2, 3. Пандемія карієсу зубів раніше обговорювалась з антропологічної та археологічної точок зору з точки зору споживання ферментованих вуглеводів 4, 5, 6, 7. Насправді, виникнення карієсу зубів позитивно корелює із збільшенням споживання вуглеводів через основне джерело, зерно 8, 9, після появи доісторичного землеробства. На той час ступінь порожнин була відносно м’якою, оскільки ротові бактерії виробляли лише невелику кількість органічної кислоти. Однак широке використання рафінованого цукру під час промислової революції завдяки вдосконаленню технологій переробки харчових продуктів, стабілізації поставок цукрової тростини на основі плантацій та скасуванню Закону про кукурудзу 10 призвело до раптового збільшення поширеності порожнин.

До цього часу при розвитку карієсу зубів у людини враховувались лише антропологічні фактори, такі як описані вище, тоді як фактори, що впливають на хвороботворні бактерії, в основному ігнорувались. Це може базуватися на твердо переконаному, що бактерії, що викликають порожнини, передували розвитку порожнин. Однак в даний час немає досліджень, які б описували походження бактерій, що викликають порожнини. Сьогодні Streptococcus mutans вважається основною причиною карієсу зубів. Ці бактерії мають здатність не тільки метаболізувати велику кількість кислоти з різних цукрів, але і міцно прилипати до поверхні зуба за допомогою клейових глюканів, що виробляються з цукру, рафінованого глюкозилтрансферазами (GTF) 11. Ця остання властивість бактерій, що викликає карієс, є основною характеристикою, яка відрізняє доісторичний карієс від сучасного карієсу.

Результати

Філогенетичний аналіз ферментів сімейства глікозилгідролаз 70

Для визначення походження генів, що сприяють каріогенному потенціалу Str. Mutans, за методами NJ, ME та MP було побудовано 3 філогенетичні дерева ферментів сімейства глікозилгідролази 70 (Додаткова таблиця S1). Дерево, сформоване за допомогою методу MP, показано на малюнку 1, а інші 2 представлені в додатковій інформації. 3 дерева, що утворились, показали повну конгруентність. Стрептококові ферменти GTF виявляють гомологію до декстранукразів Leuconostoc та GTF до Lactobacillus та Lactococcus, що вказує на спільне походження генів, що кодують ці ферменти.

Філогенетичне дерево амінокислотних послідовностей ферментів сімейства глікозилгідролази 70 було побудовано з використанням методу максимальної опіки (MP). Гени в дужках жирними лініями сусідять один з одним у геномі бактерії. Значення в кожній гілці є розрахунковим межею довіри (вираженою у відсотках) для позиції гілок, визначеною аналізом початкового завантаження. Відображаються лише значення більше 50%.

Повнорозмірне зображення

Картування геномного розташування сімейства 70 глікозилгідролази

Області вище та нижче за течією генів gtf 4 видів бактерій показані на малюнку 2А. Послідовності транспозази спостерігали у вищих та/або нижчих районах Lactobacillus reuteri gtf 180 та Lactobacillus sakei gtf Kg15. Наступний Streptococcus oralis gtfR також виявляв гомологію послідовності з генами стрептококової транспозази (рис. 2B). Ідентичність між цим регіоном та транспозазними генами Str. Pneumoniae, Str. Suis, Str. Gordonii та Str. Mitis вказує на 80, 80, 78 та 76% відповідно. Однак послідовності, гомологічні генам транспозази, не були виявлені нижче або вище за gtfB, gtfC та gtfD у Str. Mutans

(А) Геномне відображення місця розташування гена gtf. (a) GTF 180 від Lcb. reuteri, (b) gtf Kg15 Lcb. sakei, (c) gtfR від Str. oralis, (d) gtfB та gtfC від Str. mutans та (e) gtfD від Str. mutans (B) Транспозаза-гомологічна послідовність нижче за течією gtfR. Регіон, укладений пунктирною лінією в A (c), докладно показаний в B. FR00720602 та AE007317 - це номер приєднання NCBI до геному Str. Oralis Uo5 та Str. Pneumoniae R6, відповідно. Цифра після номера приєднання вказує місце в геномі.

Повнорозмірне зображення

Філогенетичний аналіз каталітичного домену в стрептококових ГТФ

Філогенетичні дерева на основі гена, що кодує каталітичну область (А), виведеної амінокислотної послідовності каталітичної області (В), гена, що кодує першу одиницю глюканозв'язуючої області, побудованої з 6 повторюваних одиниць прямої (С), і Виведена амінокислотна послідовність першої одиниці області, що зв’язує глюкан, була побудована методом сусіднього зв’язку (NJ). У групах A та B сімейство стрептококових генів gtf можна класифікувати на 3 групи: водорозчинна синтезуюча глюкан група (WSG), нерозчинна у воді група синтезуючого глюкан (WIG) та проміжна група (INT). У D GTFs одного і того ж або тісно пов'язаних видів можна розділити на одну групу. Значення в кожній гілці є розрахунковим межею довіри (вираженою у відсотках) для позиції гілок, визначеною аналізом початкового завантаження. Відображаються лише значення більше 50%. Смужка шкали (відстань [NJ]) представляє різницю в нуклеотидній послідовності на 5%.

Повнорозмірне зображення

Повний розмір таблиці

Подальший аналіз стрептококових каталітичних доменів GTF за допомогою пошуку BLAST показав, що ці регіони є гомологічними до α-амілази, але не до сахарази. Під час blastp-аналізу каталітичного домену Str. Mutans GTFB значення Е для каталітичного домену α-амілази становило 8,25e-03. Цей висновок свідчить про те, що каталітичні області стрептококових ГТФ не є філогенетично спорідненими із сахаразою, незважаючи на те, що мають однакову функцію.

Філогенетичний аналіз домену, що зв’язує глюкан, у стрептококових ГТФ

Обговорення

Може здатися ймовірним, що ферменти сімейства глікозилгідролази 70 продукувались комбінацією білків, що зв’язують сахаразу та глюкан, таких як Gbp від Str. Mutans. Однак при аналізі silico з використанням баз даних ДНК та білків виявлено, що стрептококові каталітичні області GTF гомологічні α-амілазі, але не сахаразі. Далі ці аналізи показали, що ділянки, що зв'язують глюкан, класифікуються як CW_binding 1, включаючи 1,4-β-N-ацетилмурамідазу та N-ацетилмурамоїл-1-аланінамідазу. Ці висновки дозволяють припустити, що загальним предком ферментів сімейства глікозилгідролази 70 була б група ферментів, загальною функцією якої був гідроліз цукру та зв'язування цукрового ланцюга. Крім того, білки, що зв’язують глюкан, такі як Gbp, були знайдені в Str. Mutans лише в цій базі даних. З цієї причини припускають, що Gbp, один з факторів вірулентності, що дозволяє прилипати до поверхні зуба, вперше був вироблений через відсутність першої половини глюкозилтрансферази у Str. Mutans

Тут ми показали, що ферменти у верхній частині філогенетичного дерева синтезують глюкани з різними типами зв’язків, такими як α-1, 3; α-1, 6; α-1,2; і α-1, 4, тоді як у нижній частині дерева синтезуються лише водорозчинні глюкани, зв’язані з α-1, 6 (рис. 1 та додаткова таблиця S1). Попередні дослідження показали, що стрептокок GTF продукує розчинні глюкани в результаті витіснення амінокислот в каталітичному домені та/або зменшення кількості повторюваних одиниць в глюканозв'язуючому домені 24, 25. Тому було висловлено припущення, що стрептококовий ГТФ еволюціонував для синтезу водорозчинних глюканів і що здатність синтезувати нерозчинний у воді глюкан набуватиметься лише за умови міцного збереження родової ознаки та вузької спеціалізації.

Як показано на малюнках 3A та B та таблиці 1, як gtfB, так і gtfC належать до групи WIG і зв’язані між собою у філогенетичному дереві, розділяючи лише невелику відстань 0,144. gtfC, ймовірно, реплікується після gtfB, оскільки філогенетична відстань між 2 генами та коренем становить 0,560 та 0,539, відповідно. На відміну від них, gtfB та gtfD поділяються на окремі групи, і філогенетична відстань між ними є відносно високою (0,397). Тому цілком ймовірно, що ці 2 гени були придбані окремо; однак подібні філогенетичні відстані між цими генами та коренем (gtfB, 0,539; gtfD, 0,537) свідчать про те, що вони були отримані в подібні моменти часу.

Рід Streptococcus придбав ген gtf шляхом горизонтального перенесення генів, коли виявив у ротовій порожнині людини молочнокислі бактерії, такі як Lactobacillus та Leuconostoc. Ця подія збіглася із введенням в їжу ферментованих продуктів харчування, що сталося завдяки розвитку сільськогосподарської практики та методів консервування їжі.

Повнорозмірне зображення

У цьому дослідженні ми припускаємо, що основними причинами виникнення карієсу зубів були не тільки антропологічні, але й бактеріологічні, тобто генетичні події, що призвели до еволюції каріогенних Str. mutans Тому ми рекомендуємо застосувати підхід молекулярної біології, такий як виявлення на основі ПЛР генів gtf 30, для майбутніх антропологічних та археологічних досліджень. Це дозволило б більш точно розрізнити карієс та знос зубів, а також проаналізувати історичну експансію Str. Mutans

Методи

Глікозилгідролаза сімейства 70 послідовностей

ДНК та амінокислотні послідовності білків сімейства глікозилгідролази 70, використані в цьому дослідженні, були отримані від GenBank в NCBI (//www.ncbi.nlm.nih.gov/) з перехресним посиланням на Pfam (// pfam. Sanger.ac . Об'єднане Королівство /). Аналіз послідовності невідомих стрептококових генів gtf проводили, як описано раніше 18, 30, і послідовності депонували в Японському банку даних ДНК (//sakura.ddbj.nig.ac.jp/sakura_en.html). Ми проаналізували 20 GTF від Streptococcus; 2 GTF, 9 декстран-сахарази та 1 альтернан-сахараза від Leuconostoc; 10 глюканових сахар з Lactobacillus; та 2 GTF від лактокока. Номери приєднання до NCBI цих GTF наведені на малюнку 1 та додатковій таблиці S1.

Пошук гомології та сімейства білків

Мотиви GTF аналізували гомологією та пошуками сімейних білків із використанням BLAST у NCBI та бази даних сімейства білків SYSTERS в Інституті молекулярної генетики імені Макса Планка, обчислювальна молекулярна біологія (//systers.molgen.mpg.de/) відповідно.

Філогенетичний аналіз

Вирівнювання послідовності було виконано за допомогою програмного забезпечення ClustalX версії 1.83 31 (//bips.u-strasbg.fr/fr/Documentation/ClustalX/#G). Кілька файлів вирівнювання, збережених ClustalX у форматі Clustal (* .aln), були перетворені у формат MEGA (* .meg) за допомогою програмного забезпечення MEGA версії 5 32 (//www.megasoftware.net/). Філогенетичний аналіз проводили методами NJ, ME та MP із застосуванням програмного забезпечення MEGA версії 5. Філогенетичні відстані обчислювали методом NJ із тим самим програмним забезпеченням. Відповідний параметр алгоритму NJ був встановлений як "повне усунення", а також використовувались модель "нуклеотид: відстань p" та "метод завантаження". Середнє інтерпопуляційне еволюційне розмаїття послідовностей, що кодують каталітичний домен GTF між Streptococcus, Leukonostoc та Lactobacillus, також було розраховано за допомогою MEGA 5. У цій моделі використовувались "метод повного старту" та "метод старту". модель. аналіз.

Картування геномного розташування сімейства 70 глікозилгідролази

Розташування генів, що кодують білки сімейства глікозилгідролаз 70 з Str. Mutans, Lcb. reuteri та Lcb. Сакеї були отримані за допомогою інструменту пошуку анотацій у Всебічному мікробному ресурсі Інституту Дж. Крейга Вентера (//www.jcvi.org/) або за посиланням на попередні звіти 17, 33. Висхідні та низхідні послідовності гена Str gtfR. Геном оралісу Uo5 (GenBank: FR720602.1) аналізували за допомогою BLAST (NCBI; //www.ncbi.nlm.nih.gov/BLAST/).

Додаткова інформація

Файли PDF

Додаткова інформація

Додаткові таблиці S1 та рисунок S1

Код доступу: дані для gtfP Str. sanguinis депоновані в базі даних GenBank з кодом доступу AB252650.

Коментарі

Надсилаючи коментар, ви погоджуєтесь дотримуватись наших Умов та правил спільноти. Якщо ви виявите щось образливе або не відповідає нашим умовам чи інструкціям, позначте це як неприйнятне.