Происхождение и функциональное разнообразие домена PAS — внутриклеточного сенсора

Домены PAS (Pert-Arnt-Sim) — распространённые сенсорные модули, обнаруживаемые в разнообразных рецепторах бактерий, эукариот и архей. Однако масштабы их функционального разнообразия и распределения по древу жизни оставались не до конца изучены.

В новой статье в Science Advances Цзявэй Син и команда учёных в области биологии и трансляционных данных из Университета штата Огайо (США) использовали данные о консервативности последовательностей и структурной информации, чтобы предложить специфические и потенциальные функции для почти трёх миллионов доменов PAS. Работа указывает на происхождение этих доменов у бактерий и их горизонтальный перенос к археям и эукариотам. Близкое родство доменов у человека и бактерий предоставляет уникальную возможность для разработки лекарств.

Распределение доменов PAS по древу жизни

Син и коллеги провели поиск этих доменов во всём наборе референсных протеомов. Домены PAS были обнаружены в 66% архейных, 93% бактериальных и 93% эукариотических протеомов. Домены широко представлены в бактериальных типах, неравномерно распределены у архей и широко распространены у эукариот.

Учёные собрали все PAS-содержащие белки из базы данных InterPro и определили их доменный состав. В то время как гистидинкиназы являются наиболее распространёнными PAS-белками у бактерий и архей, у эукариот чаще встречаются транскрипционные факторы. В среднем, архейные и бактериальные геномы кодируют больше этих белков и доменов, чем эукариотические геномы.

Существующая классификация доменов PAS не отражает их биологических функций

Текущая база данных семейств белков Pfam классифицирует домен PAS на 17 семейств. Чтобы выяснить, отражает ли эта классификация биологическую функцию, Син и коллеги провели всесторонний поиск в литературе. Работа показала, что существующая классификация доменов PAS не отражает их сенсорных функций.

Команда также провела поиск BLAST с использованием последовательностей из семейств. Эти эксперименты дополнили идентификацией семейств PAS с использованием последовательностной и структурной информации из базы данных референсных последовательностей NCBI, а также всей базы данных Pfam.

Ключевые выводы

Син и коллеги показали, что эти домены имеют короткие и разнообразные последовательности, что осложняет их филогенетический анализ. Однако домены разделяют одинаковую структурную укладку. Команда отобрала 1% последовательностей из каждого кластера и построила филогенетические деревья с помощью структурированного подхода для коротких и разнообразных последовательностей.

Исследователи отметили, что данные о последовательностях, структуре и филогении позволяют предположить, что домены PAS в таких кластерах независимо эволюционировали для приобретения способности связывать гем. Исследование также показало, что эукариотические домены PAS имеют бактериальное происхождение и обладают потенциалом в качестве перспективных мишеней для лекарств.

Перспективы

Таким образом, исследовательская группа провела полногеномный анализ доменов PAS спустя 24 года после последнего подобного исследования. В этой работе команда проанализировала почти 3 миллиона доменов PAS из масштабных геномов бактерий, архей и эукариот. Учёные представили выводы об эволюции, геномном ландшафте и функциональном разнообразии этих биологических сенсоров. Результаты показали, что несколько доменов PAS присутствуют в разнообразных формах жизни, а также идентифицировали их в основных типах белков передачи сигнала.

Поскольку существующие системы классификации в определённой степени устарели, Син и команда использовали несколько методов для создания лучшей системы классификации в данной работе. Исследование раскрыло домены PAS как универсальные молекулярные сенсоры, что позволяет планировать целенаправленные эксперименты для валидации и дальнейшего изучения.