VHb (гемоглобин)
Витреоциллярный гемоглобин ( VHb ) — это тип гемоглобина, в грамотрицательных аэробных бактериях Vitreoscilla обнаруженный . Это первый гемоглобин, обнаруженный у бактерий, но в отличие от классического гемоглобина он состоит только из одной молекулы глобина . [ 1 ] Как и типичный гемоглобин, его основная роль заключается в связывании кислорода, но он также выполняет и другие функции, включая доставку кислорода к оксигеназам , детоксикацию оксида азота , определение и передачу концентраций кислорода, пероксидазоподобную активность за счет устранения образующейся в результате автоокисления H 2 O 2 , которая предотвращает деградация гема и высвобождение железа. [ 2 ]
Открытие
[ редактировать ]В 1986 году бактериальный гем-белок ( Vitreoscilla ), который изучал Вебстер и его коллеги, был секвенирован, и эта аминокислотная последовательность обнаружила глобиновые складки гемоглобина. [ 3 ] [ 4 ] Он состоит из одного домена, который обычно встречается в виде димера. Решение его кристаллической структуры подтвердило, что его трехмерная структура удивительно похожа на классическую складку глобина. [ 5 ] Когда ген ( vgb ) этого гемоглобина был клонирован в E. coli [ 6 ] Было обнаружено, что он увеличивает рост этих клеток в условиях низкого содержания кислорода по сравнению с контрольными бактериями. [ 7 ] Концентрация VHb резко возросла у витреосциллы , строгого аэроба, выращенного в условиях гипоксии . [ 8 ] и было высказано предположение, что он действует как «ловушка для хранения кислорода», подавая кислород терминальной оксидазе (цитохром bo ) в этих условиях. [ 9 ] Дополнительным доказательством этого является то, что VHb концентрируется in vivo вблизи мембраны клеток витреоциллы . [ 10 ] Было также показано, что VHb связывается с субъединицей I цитохромбо-концевой оксидазы, [ 11 ] гемсодержащая субъединица, которая также отвечает за уникальную функцию перекачки натрия этой уникальной терминальной оксидазы. [ 12 ]
Функция
[ редактировать ]VHb является наиболее изученным из всех бактериальных гемоглобинов, и ему приписывают ряд функций. Его основная роль, вероятно, заключается в связывании кислорода в низких концентрациях и его прямой доставке к терминальным респираторным оксидазам, таким как цитохром o. Он также участвует в доставке кислорода к оксигеназам , [ 13 ] детоксикация путем оксида азота преобразования его в нитрат , [ 14 ] и определение концентрации кислорода и передача этого сигнала факторам транскрипции . [ 15 ] [ 16 ] Он обладает активностью, подобной пероксидазе , и эффективно устраняет образующуюся в результате автоокисления H 2 O 2 , которая является причиной деградации гема и высвобождения железа. [ 2 ]
Генетическая регуляция
[ редактировать ]Ген VHb, vgb , существует в виде единственной копии у Vitreoscilla и демонстрирует полное согласие с первичной последовательностью VHb. [ 6 ] [ 17 ] Нижняя область, примыкающая к vgb, несет ген в противоположном направлении, имеющий близкое сходство с uvrA геном E. coli , что указывает на то, что vgb не является частью мультигенного оперона . [ 18 ] Биосинтез VHb регулируется на уровне транскрипции и индуцируется в условиях гипоксии у нативного хозяина. [ 19 ] vgb сильно экспрессируется в E. coli через нативный промотор, и аналогичное увеличение уровня его транскрипта происходит при гипоксии; это предполагает близкое сходство в транскрипционном аппарате Vitreoscilla и E. coli . [ 20 ] Промоторная область vgb заполнена перекрывающимися сайтами связывания для нескольких редокс-чувствительных регуляторов транскрипции, включая систему восстановления фумарата и нитрата (Fnr) в качестве первичного регулятора. [ 15 ] Система катаболитной репрессии (Crp) является дополнительным средством контроля. [ 21 ] наряду с системой контроля аэробного дыхания (Arc) в качестве третьего кислородозависимого контроллера. [ 22 ] Другой сайт связывания регулятора реакции на окислительный стресс (OxyR) также присутствует в промоторе vgb; все эти регуляторы транскрипции, по-видимому, работают согласованно друг с другом, контролируя биосинтез VHb редокс-зависимым образом. [ 15 ]
Генная инженерия и приложения
[ редактировать ]Поскольку было показано, что VHb стимулирует рост E. coli в условиях гипоксии, vgb клонировали в различные организмы, включая различные бактерии, дрожжи, грибы и даже высшие растения и животных, чтобы проверить его влияние на рост и продукцию продуктов. потенциального коммерческого значения, разложение токсичных соединений, усиление нитрификации при очистке сточных вод и другие экологические применения. [ 23 ]
Примеры повышения производительности включают увеличение выхода различных биохимических веществ, включая антибиотики, инсектициды, поверхностно-активные вещества и потенциальное сырье для пластика. Они также включают ферменты [ 24 ] (в том числе такое, которое может обладать противолейкемическими свойствами) и топливо (включая этанол, [ 25 ] бутандиол, [ 26 ] [ 27 ] и биодизель [ 28 ] ). Изученные токсичные соединения представляли собой ароматические соединения, включая 2-хлорбензойную кислоту и 2,4-динитротолен. [ 29 ] [ 30 ] Считается, что в этих случаях увеличение деградации связано как с эффектом VHb, усиливающим дыхание, обеспечивая клетки дополнительным АТФ для роста и производства деградирующих ферментов, так и с доставкой кислорода непосредственно к оксигеназам, необходимым для ранних стадий пути деградации. .
Другие экологические исследования включают исследования, связанные с восстановлением тяжелых металлов и обеспечением растений фосфатами почвы. [ 28 ] Экспрессия vgb у Nitrosomonas europaea , бактерии, участвующей в преобразовании аммиака в нитрит в сточных водах, в некоторой степени усиливала ее способность к этому преобразованию. [ 31 ] Кроме того, было показано, что механизм экспрессии гема-белка для усиления снабжения монооксигеназы кислородом при нитрификации в условиях гипоксии аналогичен функции VHb, наблюдаемой в других приложениях. [ 32 ]
Аминокислотные остатки в нескольких участках VHb, расположенных вблизи гема, были изменены с помощью генной инженерии, чтобы изменить сродство VHb к кислороду и изучить влияние на биотехнологические свойства некоторых из изученных систем. [ 23 ] Многие мутации не оказывали значительного влияния на лигандсвязывающие свойства VHb или в лучшем случае обеспечивали умеренное увеличение роста клеток по сравнению с клетками, несущими VHb дикого типа. [ 23 ] [ 33 ] Однако два мутантных VHb обеспечили существенное увеличение роста и деградации ароматических соединений по сравнению с VHb дикого типа у Pseudomonas и Burkholderia бактерий , трансформированных так, чтобы они содержали vgb . [ 34 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Старк BC, Дикшит К.Л., Пагилла КР (2012). «Биохимия гемоглобина витреоциллы » . Журнал вычислительной и структурной биотехнологии . 3 (4): e201210002. дои : 10.5936/csbj.201210002 . ПМЦ 3962134 . ПМИД 24688662 .
- ^ Jump up to: а б Исаранкура-На-Аюдхья С., Тансила Н., Ворачарчеван А., Бюлов Л., Прачаяситтикул В. (2010). «Биохимическое и клеточное исследование вариантов гемоглобина Vitreoscilla (VHb), обладающих эффективной пероксидазной активностью». J Микробиол Биотехнология . 20 (3): 532–541. ПМИД 20372024 .
- ^ Вебстер Д.А., Дикшит К.Л., Пагилла К.Р., Старк, Британская Колумбия (август 2021 г.). «Открытие витреоциллярного гемоглобина и ранние исследования его биохимических функций, контроля его экспрессии и его использования в практическом применении» . Микроорганизмы . 9 (8): 1637. doi : 10.3390/microorganisms9081637 . ISSN 2076-2607 . ПМЦ 8398370 . ПМИД 34442716 .
- ^ Вакабаяши С., Мацубара Х., Вебстер Д.А. (июль 1986 г.). «Первичная последовательность димерного бактериального гемоглобина витреосциллы» . Природа . 322 (6078): 481–483. Бибкод : 1986Natur.322..481W . дои : 10.1038/322481a0 . ISSN 1476-4687 . ПМИД 3736670 .
- ^ Тарриконе К., Галицци А., Кода А., Асенци П., Болоньези М. (апрель 1997 г.). «Необычная структура места связывания кислорода в димерном бактериальном гемоглобине Vitreoscilla sp» . Структура . 5 (4): 497–507. дои : 10.1016/s0969-2126(97)00206-2 . ISSN 0969-2126 . ПМИД 9115439 .
- ^ Jump up to: а б Дикшит К.Л., Вебстер Д.А. (30 октября 1988 г.). «Клонирование, характеристика и экспрессия бактериального гена глобина из Vitreoscilla в Escherichia coli». Джин . 70 (2): 377–386. дои : 10.1016/0378-1119(88)90209-0 . ISSN 0378-1119 . ПМИД 2850971 .
- ^ Вебстер Д.А., Дикшит К.Л., Пагилла К.Р., Старк, Британская Колумбия (октябрь 2021 г.). «Открытие витреоциллярного гемоглобина и ранние исследования его биохимических функций, контроля его экспрессии и его использования в практическом применении» . Микроорганизмы . 9 (8): 1637. doi : 10.3390/microorganisms9081637 . ISSN 2076-2607 . ПМЦ 8398370 . ПМИД 34442716 .
- ^ Бурман С.Дж., Вебстер Д.А. (1982). «Контроль содержания гема в витреосцилле с помощью кислорода» . Журнал общей и прикладной микробиологии . 28 (1): 35–43. дои : 10.2323/jgam.28.35 .
- ^ Вебстер Д.А. (1988). «Структура и функция бактериального гемоглобина и родственных ему белков». Достижения неорганической биохимии . 7 : 245–265. ПМИД 3275422 .
- ^ Рамандип, Хван К.В., Радже М., Ким К.Дж., Старк BC, Дикшит К.Л., Вебстер Д.А. (январь 2001 г.). «Витреосцилля Гемоглобин» . Журнал биологической химии . 276 (27): 24781–24789. дои : 10.1074/jbc.m009808200 . ISSN 0021-9258 . ПМИД 11331274 .
- ^ Парк К.В., Ким К.Дж., Ховард Эй.Дж., Старк BC, Вебстер Д.А. (сентябрь 2002 г.). «Витреосцилля гемоглобин связывается с субъединицей I цитохрома или убихинолоксидазы» . Журнал биологической химии . 277 (36): 33334–33337. дои : 10.1074/jbc.m203820200 . ISSN 0021-9258 . ПМИД 12080058 .
- ^ Чунг Ю.Т., Старк BC, Вебстер Д.А. (6 октября 2006 г.). «Роль Asp544 в субъединице I для перекачки Na+ витреосциллы цитохромом bo ». Связь с биохимическими и биофизическими исследованиями . 348 (4): 1209–1214. дои : 10.1016/j.bbrc.2006.07.184 . ISSN 0006-291X . ПМИД 16919598 .
- ^ Фиш, Пенсильвания, Вебстер, Д.А., Старк, Британская Колумбия (20 марта 2000 г.). « Гемоглобин витреосциллы усиливает первый этап разложения 2,4-динитротолуола in vitro и при низкой аэрации in vivo». Журнал молекулярного катализа B: Enzymatic . 9 (1): 75–82. дои : 10.1016/S1381-1177(99)00086-7 . ISSN 1381-1177 .
- ^ Каур Р., Патания Р., Шарма В., Манде С.К., Дикшит К.Л. (январь 2002 г.). «Химерный витреосцилльный гемоглобин (VHb), несущий флаворедуктазный домен, снимает нитрозативный стресс у Escherichia coli: новый взгляд на функциональную роль VHb» . Прикладная и экологическая микробиология . 68 (1): 152–160. Бибкод : 2002ApEnM..68..152K . дои : 10.1128/АЕМ.68.1.152-160.2002 . ISSN 0099-2240 . ПМК 126558 . ПМИД 11772621 .
- ^ Jump up to: а б с Ананд А., Дук Б.Т., Сингх С., Акбас М.Ю., Вебстер Д.А., Старк Б.К., Дикшит К.Л. (24 февраля 2010 г.). «Окислительно-восстановительные взаимодействия VHb ( гемоглобина Vitreoscilla ) с OxyR: новая регуляция биосинтеза VHb при окислительном стрессе». Биохимический журнал . 426 (3): 271–280. дои : 10.1042/bj20091417 . ISSN 0264-6021 . ПМИД 20025616 .
- ^ Старк BC, Дикшит К.Л., Пагилла КР (2011). «Последние достижения в понимании структуры, функции и биотехнологической полезности гемоглобина бактерии Vitreoscilla ». Биотехнология Летт . 33 (9): 1705–1714. дои : 10.1007/s10529-011-0621-9 . ПМИД 21603987 .
- ^ Вебстер Д.А., Дикшит К.Л., Пагилла К.Р., Старк, Британская Колумбия (2021). «Открытие витреоциллярного гемоглобина и ранние исследования его биохимических функций, контроля его экспрессии и его использования в практическом применении» . Микроорганизмы . 9 (8): 1637. doi : 10.3390/microorganisms9081637 . ISSN 2076-2607 . ПМЦ 8398370 . ПМИД 34442716 .
- ^ Лю С.К., Лю YX, Вебстер Д.А., Старк BC (ноябрь 1994 г.). «Последовательность области ниже гена гемоглобина Vitreoscilla : vgb не является частью мультигенного оперона». Прикладная микробиология и биотехнология . 42 (2): 304–308. дои : 10.1007/BF00902733 . ISSN 1432-0614 . ПМИД 7765771 .
- ^ Дикшит К.Л., Сполдинг Д., Браун А., Вебстер Д.А. (1989). «Кислородное ингибирование транскрипции генов глобина и синтеза бактериального гемоглобина в витреосциллах» . Микробиология . 135 (10): 2601–2609. дои : 10.1099/00221287-135-10-2601 . ISSN 1465-2080 . ПМИД 2483729 .
- ^ Дикшит К.Л., Дикшит Р.П., Вебстер Д.А. (25 июля 1990 г.). «Изучение ) витреоциллы экспрессии гена глобина ( vgb и активности промотора в E. Coli посредством транскрипционного слияния» . Исследования нуклеиновых кислот . 18 (14): 4149–4155. дои : 10.1093/нар/18.14.4149 . ISSN 0305-1048 . ПМК 331172 . ПМИД 2198533 .
- ^ Джоши М., Дикшит К.Л. (15 июля 1994 г.). «Кислородозависимая регуляция гена глобина витреоциллы : доказательства положительной регуляции с помощью FNR». Связь с биохимическими и биофизическими исследованиями . 202 (1): 535–542. дои : 10.1006/bbrc.1994.1961 . ISSN 0006-291X . ПМИД 8037759 .
- ^ Ян Дж., Вебстер Д.А., Старк BC (3 октября 2005 г.). «ArcA работает с Fnr как положительный регулятор экспрессии гена гемоглобина Vitreoscilla (бактериального) в Escherichia coli » . Микробиологические исследования . 160 (4): 405–415. doi : 10.1016/j.micres.2005.03.004 . ISSN 0944-5013 . ПМИД 16255146 .
- ^ Jump up to: а б с Старк БК, Пагилла КР, Дикшит КЛ (01 февраля 2015 г.). «Недавние применения технологии гемоглобина Vitreoscilla в синтезе биопродуктов и биоремедиации». Прикладная микробиология и биотехнология . 99 (4): 1627–1636. дои : 10.1007/s00253-014-6350-y . ISSN 1432-0614 . ПМИД 25575886 .
- ^ Хосрави М., Вебстер Д.А., Старк BC (ноябрь 1990 г.). «Наличие гена бактериального гемоглобина улучшает выработку α-амилазы рекомбинантного штамма Escherichia coli ». Плазмида . 24 (3): 190–194. дои : 10.1016/0147-619X(90)90002-T . ISSN 0147-619X . ПМИД 2136531 .
- ^ Санни Т., Арнальдос М., Кункель С.А., Пагилла К.Р., Старк BC (ноябрь 2010 г.). «Инженерия этанольной E. coli с геном гемоглобина Vitreoscilla увеличивает выработку этанола как из глюкозы, так и из ксилозы». Прикладная микробиология и биотехнология . 88 (5): 1103–1112. дои : 10.1007/s00253-010-2817-7 . ISSN 1432-0614 . ПМИД 20717665 .
- ^ Вэй М.Л., Вебстер Д.А., Старк, Британская Колумбия (5 сентября 1998 г.). «Метаболическая инженерия Serratia marcescens с геном бактериального гемоглобина: изменения в путях ферментации». Биотехнология и биоинженерия . 59 (5): 640–646. doi : 10.1002/(SICI)1097-0290(19980905)59:5<640::AID-BIT15>3.0.CO;2-D . ПМИД 10099382 .
- ^ Гекил Х., Барак З., Чипман Д.М., Эренлер С.О., Вебстер Д.А., Старк BC (октябрь 2004 г.). «Увеличенное производство ацетоина и бутандиола в рекомбинантных Enterobacter aerogenes, несущих ген гемоглобина Vitreoscilla». Биопроцессы и биосистемная инженерия . 26 (5): 325–330. дои : 10.1007/s00449-004-0373-1 . ISSN 1615-7605 . ПМИД 15309606 .
- ^ Jump up to: а б Ошибка цитирования: именованная ссылка
:2
был вызван, но так и не был определен (см. страницу справки ). - ^ Ургун-Демиртас М., Пагилла К.Р., Старк Б.К., Вебстер Д. (октябрь 2003 г.). «Биодеградация 2-хлорбензоата рекомбинантной Burkholderia Cepacia, экспрессирующей гемоглобин витреоциллы при переменных уровнях доступности кислорода». Биодеградация . 14 (5): 357–365. дои : 10.1023/А:1025672528291 . ISSN 1572-9729 . ПМИД 14571952 .
- ^ Со Дж., Вебстер Д.А., Старк Б.К., Пагилла К.Р. (1 июня 2004 г.). «Усиление биоразложения 2,4-динитротолуола Burkholderia sp. в песчаных биореакторах с использованием технологии бактериального гемоглобина». Биодеградация . 15 (3): 161–171. дои : 10.1023/B:BIOD.0000026496.38594.b2 . ISSN 1572-9729 . ПМИД 15228074 .
- ^ Кункель С.А., Пагилла КР, Старк БК (01 августа 2015 г.). «Разработка Nitrosomonas europaea для экспрессии гемоглобина Vitreoscilla усиливает поглощение кислорода и преобразование аммиака в нитрит» . АМБ Экспресс . 5 (1): 43. дои : 10.1186/s13568-015-0135-2 . ISSN 2191-0855 . ПМК 4522006 . ПМИД 26231847 .
- ^ Арнальдос М., Кункель С.А., Старк БК, Пагилла КР (01 апреля 2014 г.). «Характеристика гема-белка, экспрессируемого бактериями, окисляющими аммиак, в условиях низкого содержания растворенного кислорода». Прикладная микробиология и биотехнология . 98 (7): 3231–3239. дои : 10.1007/s00253-013-5400-1 . ISSN 1432-0614 . ПМИД 24272370 .
- ^ Каур Р., Ахуджа С., Ананд А., Сингх Б., Старк Б.С., Вебстер Д.А., Дикшит К.Л. (15 октября 2008 г.). «Функциональное значение сети водородных связей проксимального участка в гемоглобине Vitreoscilla (VHb): роль Tyr95 (G5) и Tyr126 (H12)» . Письма ФЭБС . 582 (23–24): 3494–3500. Бибкод : 2008FEBSL.582.3494K . дои : 10.1016/j.febslet.2008.09.018 . ISSN 0014-5793 . ПМИД 18804465 .
- ^ Ким Ю, Вебстер Д.А., Старк BC (2005). «Улучшение биоремедиации Pseudomonas и Burkholderia с помощью мутантов гена гемоглобина Vitreoscilla (vgb), интегрированного в их хромосомы». Журнал промышленной микробиологии и биотехнологии . 32 (4): 148–154. дои : 10.1007/s10295-005-0215-4 . ISSN 1367-5435 . ПМИД 15806390 .