Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Hồ sơ Omics được sử dụng để đánh giá sự biểu hiện gen của Exiguobacterium antarcticum B7 trong quá trình thích nghi với nhiệt độ thấp
Tóm tắt
Chủng Exiguobacterium antarcticum B7 là một loài vi khuẩn Gram dương có khả năng sống trong điều kiện lạnh, được phân lập ở Nam Cực. Mặc dù loài vi khuẩn này chưa được nghiên cứu nhiều, nhưng bộ gen của nó đã được giải mã. Do đó, nó là một mô hình phù hợp cho nghiên cứu về thích nghi nhiệt độ. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã phân tích transcriptome và proteome của E. antarcticum B7 được nuôi cấy ở nhiệt độ 0°C và 37°C bằng công nghệ SOLiD RNA-Seq, Ion Torrent RNA-Seq và điện di gel khác biệt hai chiều kết hợp với phổ khối lượng (2D-DIGE-MS/MS). Chúng tôi đã phát hiện 2.058 bản sao RNA biểu hiện trong tất cả các mẫu từ cả hai nền tảng và biểu hiện khác biệt của 564 gen (log2FC tuyệt đối ≥1, giá trị P <0.001) so sánh giữa hai nhiệt độ bằng RNA-Seq. Tổng cộng có 73 điểm được biểu hiện khác biệt giữa hai nhiệt độ trên 2D-DIGE, trong đó 25 điểm được xác định bằng MS/MS. Một số protein thể hiện các mô hình phân tán trong gel đặc trưng cho các biến đổi sau dịch mã. Các phát hiện của chúng tôi cho thấy rằng hai nền tảng phân tích đã tạo ra kết quả tương tự và các phương pháp omics khác nhau có thể được sử dụng để nâng cao hiểu biết về sự biểu hiện gen. Để thích nghi với nhiệt độ thấp, E. antarcticum B7 biểu hiện bốn trong số sáu protein sốc lạnh có trong bộ gen của nó. Các protein sốc lạnh là những thành phần phong phú nhất trong proteome của vi khuẩn ở 0°C. Một số gen được biểu hiện khác biệt là cần thiết để duy trì quá trình phiên mã và dịch mã, trong khi các gen khác mã hóa protein góp phần vào việc duy trì môi trường nội bào và sự gấp nếp protein phù hợp. Kết quả nghiên cứu làm nổi bật sự phức tạp tiềm ẩn trong quá trình thích nghi của các sinh vật khả năng sống trong điều kiện lạnh và dựa trên hai phương pháp omics. Chúng cũng tiết lộ lối sống của một loài vi khuẩn được phân lập tại Nam Cực.
Từ khóa
#Exiguobacterium antarcticum #thích nghi nhiệt độ #RNA-Seq #điện di gel khác biệt hai chiều #protein sốc lạnhTài liệu tham khảo
Ambily Nath IV, Loka Bharathi PA: Diversity in transcripts and translational pattern of stress proteins in marine extremophiles. Extremophiles. 2011, 15 (2): 129-153. 10.1007/s00792-010-0348-x.
Cava F, Hidalgo A, Berenguer J: Thermus thermophilus as biological model. Extremophiles. 2009, 13 (2): 213-231. 10.1007/s00792-009-0226-6.
Ayala-del-Rio HL, Chain PS, Grzymski JJ, Ponder MA, Ivanova N, Bergholz PW, Di Bartolo G, Hauser L, Land M, Bakermans C, Rodrigues D, Klappenbach J, Zarka D, Larimer F, Richardson P, Murray A, Thomashow M, Tiedje JM: The genome sequence of Psychrobacter arcticus 273–4, a psychroactive Siberian permafrost bacterium, reveals mechanisms for adaptation to low-temperature growth. Appl Environ Microbiol. 2010, 76 (7): 2304-2312. 10.1128/AEM.02101-09.
Margesin R, Neuner G, Storey KB: Cold-loving microbes, plants, and animals–fundamental and applied aspects. Naturwissenschaften. 2007, 94 (2): 77-99. 10.1007/s00114-006-0162-6.
Morita RY: Psychrophilic bacteria. Bacteriol Rev. 1975, 39 (2): 144-167.
Klinkert B, Narberhaus F: Microbial thermosensors. Cell Mol Life Sci. 2009, 66 (16): 2661-2676. 10.1007/s00018-009-0041-3.
Phadtare S: Recent developments in bacterial cold-shock response. Curr Issues Mol Biol. 2004, 6 (2): 125-136.
D'Amico S, Collins T, Marx JC, Feller G, Gerday C: Psychrophilic microorganisms: challenges for life. EMBO Rep. 2006, 7 (4): 385-389. 10.1038/sj.embor.7400662.
Deming JW: Psychrophiles and polar regions. Curr Opin Microbiol. 2002, 5 (3): 301-309. 10.1016/S1369-5274(02)00329-6.
Trevors JT, Bej AK, Mojib N, van Elsas JD, Van Overbeek L: Bacterial gene expression at low temperatures. Extremophiles. 2012, 16 (2): 167-176. 10.1007/s00792-011-0423-y.
Casanueva A, Tuffin M, Cary C, Cowan DA: Molecular adaptations to psychrophily: the impact of 'omic' technologies. Trends Microbiol. 2010, 18 (8): 374-381. 10.1016/j.tim.2010.05.002.
Mykytczuk NC, Foote SJ, Omelon CR, Southam G, Greer CW, Whyte LG: Bacterial growth at -15 degrees C; molecular insights from the permafrost bacterium Planococcus halocryophilus Or1. ISME J. 2013, 7: 1211-1226. 10.1038/ismej.2013.8.
Metzker ML: Sequencing technologies - the next generation. Nat Rev Genet. 2010, 11 (1): 31-46. 10.1038/nrg2626.
Nagalakshmi U, Wang Z, Waern K, Shou C, Raha D, Gerstein M, Snyder M: The transcriptional landscape of the yeast genome defined by RNA sequencing. Science. 2008, 320 (5881): 1344-1349. 10.1126/science.1158441.
Pinto AC, Melo-Barbosa HP, Miyoshi A, Silva A, Azevedo V: Application of RNA-seq to reveal the transcript profile in bacteria. Genet Mol Res. 2011, 10 (3): 1707-1718. 10.4238/vol10-3gmr1554.
Castro TL, Seyffert N, Ramos RT, Barbosa S, Carvalho RD, Pinto AC, Carneiro AR, Silva WM, Pacheco LG, Downson C, Schneider MPC, Miyoshi A, Azevedo V, Silva A: Ion Torrent-based transcriptional assessment of a Corynebacterium pseudotuberculosis equi strain reveals denaturing high-performance liquid chromatography a promising rRNA depletion method. Microb Biotechnol. 2013, 6 (2): 168-177. 10.1111/1751-7915.12020.
Pinto AC, de Sa PH, Ramos RT, Barbosa S, Barbosa HP, Ribeiro AC, Silva WM, Rocha FS, Santana MP, Castro TLP, Miyoshi A, Schneider MPC, Silva A, Azevedo V: Differential transcriptional profile of Corynebacterium pseudotuberculosis in response to abiotic stresses. BMC Genomics. 2014, 15 (1): 14-10.1186/1471-2164-15-14.
Carneiro AR, Ramos RT, Dall'Agnol H, Pinto AC, de Castro SS, Santos AR, Guimaraes LC, Almeida SS, Barauna RA, da sGracas DA: Genome sequence of Exiguobacterium antarcticum B7, isolated from a biofilm in Ginger Lake, King George Island, Antarctica. J Bacteriol. 2012, 194 (23): 6689-6690. 10.1128/JB.01791-12.
Rodrigues DF, Goris J, Vishnivetskaya T, Gilichinsky D, Thomashow MF, Tiedje JM: Characterization of Exiguobacterium isolates from the Siberian permafrost. Description of Exiguobacterium sibiricum sp. nov. Extremophiles. 2006, 10 (4): 285-294. 10.1007/s00792-005-0497-5.
Fruhling A, Schumann P, Hippe H, Straubler B, Stackebrandt E: Exiguobacterium undae sp. nov. and Exiguobacterium antarcticum sp. nov. Int J Syst Evol Microbiol. 2002, 52 (Pt 4): 1171-1176.
Ramos RT, Carneiro AR, Baumbach J, Azevedo V, Schneider MP, Silva A: Analysis of quality raw data of second generation sequencers with Quality Assessment Software. BMC Res Notes. 2011, 4: 130-10.1186/1756-0500-4-130.
Mortazavi A, Williams BA, McCue K, Schaeffer L, Wold B: Mapping and quantifying mammalian transcriptomes by RNA-Seq. Nat Methods. 2008, 5 (7): 621-628. 10.1038/nmeth.1226.
Wang L, Feng Z, Wang X, Wang X, Zhang X: DEGseq: an R package for identifying differentially expressed genes from RNA-seq data. Bioinformatics. 2009, 26 (1): 136-138.
Bickhart DM, Benson DR: Transcriptomes of Frankia sp. strain CcI3 in growth transitions. BMC Microbiol. 2011, 11: 192-10.1186/1471-2180-11-192.
Zheng D, Frankish A, Baertsch R, Kapranov P, Reymond A, Choo SW, Lu Y, Denoeud F, Antonarakis SE, Snyder M, Ruan Y, Wei CL, Gingeras TR, Guigó R, Harrow J, Gerstein MB: Pseudogenes in the ENCODE regions: consensus annotation, analysis of transcription, and evolution. Genome Res. 2007, 17 (6): 839-851. 10.1101/gr.5586307.
Graumann PL, Marahiel MA: A superfamily of proteins that contain the cold-shock domain. Trends Biochem Sci. 1998, 23 (8): 286-290. 10.1016/S0968-0004(98)01255-9.
Spaniol V, Wyder S, Aebi C: RNA-Seq-based analysis of the physiologic cold shock-induced changes in Moraxella catarrhalis gene expression. PLoS One. 2013, 8 (7): e68298-10.1371/journal.pone.0068298.
Bergholz PW, Bakermans C, Tiedje JM: Psychrobacter arcticus 273–4 uses resource efficiency and molecular motion adaptations for subzero temperature growth. J Bacteriol. 2009, 191 (7): 2340-2352. 10.1128/JB.01377-08.
Frank S, Schmidt F, Klockgether J, Davenport CF, Gesell Salazar M, Volker U, Tummler B: Functional genomics of the initial phase of cold adaptation of Pseudomonas putida KT2440. FEMS Microbiol Lett. 2011, 318 (1): 47-54. 10.1111/j.1574-6968.2011.02237.x.
Rogowska-Wrzesinska A, Le Bihan MC, Thaysen-Andersen M, Roepstorff P: 2D gels still have a niche in proteomics. J Proteomics. 2013, 88: 4-13.
Graumann P, Schroder K, Schmid R, Marahiel MA: Cold shock stress-induced proteins in Bacillus subtilis. J Bacteriol. 1996, 178 (15): 4611-4619.
Lenz G, Ron EZ: Novel interaction between the major bacterial heat shock chaperone (GroESL) and an RNA chaperone (CspC). J Mol Biol. 2014, 426 (2): 460-466. 10.1016/j.jmb.2013.10.018.
Battesti A, Majdalani N, Gottesman S: The RpoS-mediated general stress response in Escherichia coli. Annu Rev Microbiol. 2011, 65: 189-213. 10.1146/annurev-micro-090110-102946.
Phadtare S, Inouye M: Role of CspC and CspE in regulation of expression of RpoS and UspA, the stress response proteins in Escherichia coli. J Bacteriol. 2001, 183 (4): 1205-1214. 10.1128/JB.183.4.1205-1214.2001.
Sand O, Gingras M, Beck N, Hall C, Trun N: Phenotypic characterization of overexpression or deletion of the Escherichia coli crcA, cspE and crcB genes. Microbiology. 2003, 149 (Pt 8): 2107-2117.
Yamanaka K, Inouye M: Growth-phase-dependent expression of cspD, encoding a member of the CspA family in Escherichia coli. J Bacteriol. 1997, 179 (16): 5126-5130.
Phadtare S, Severinov K: RNA remodeling and gene regulation by cold shock proteins. RNA Biol. 2010, 7 (6): 788-795. 10.4161/rna.7.6.13482.
Pandiani F, Brillard J, Bornard I, Michaud C, Chamot S, Nguyen-the C, Broussolle V: Differential involvement of the five RNA helicases in adaptation of Bacillus cereus ATCC 14579 to low growth temperatures. Appl Environ Microbiol. 2010, 76 (19): 6692-6697. 10.1128/AEM.00782-10.
Rodrigues DF, Ivanova N, He Z, Huebner M, Zhou J, Tiedje JM: Architecture of thermal adaptation in an Exiguobacterium sibiricum strain isolated from 3 million year old permafrost: a genome and transcriptome approach. BMC Genomics. 2008, 9: 547-10.1186/1471-2164-9-547.
Huang X, Fredrick KL, Helmann JD: Promoter recognition by Bacillus subtilis sigmaW: autoregulation and partial overlap with the sigmaX regulon. J Bacteriol. 1998, 180 (15): 3765-3770.
Wiegert T, Homuth G, Versteeg S, Schumann W: Alkaline shock induces the Bacillus subtilis sigma(W) regulon. Mol Microbiol. 2001, 41 (1): 59-71. 10.1046/j.1365-2958.2001.02489.x.
Budde I, Steil L, Scharf C, Volker U, Bremer E: Adaptation of Bacillus subtilis to growth at low temperature: a combined transcriptomic and proteomic appraisal. Microbiology. 2006, 152 (Pt 3): 831-853.
Cozy LM, Phillips AM, Calvo RA, Bate AR, Hsueh YH, Bonneau R, Eichenberger P, Kearns DB: SlrA/SinR/SlrR inhibits motility gene expression upstream of a hypersensitive and hysteretic switch at the level of sigma(D) in Bacillus subtilis. Mol Microbiol. 2012, 83 (6): 1210-1228. 10.1111/j.1365-2958.2012.08003.x.
Piette F, D’Amico S, Struvay C, Mazzucchelli G: Proteomics of life at low temperatures: trigger factor is the primary chaperone in the Antarctic bacterium Pseudoalteromonas haloplanktis TAC125. Mol Microbiol. 2010, 76: 120-132. 10.1111/j.1365-2958.2010.07084.x.
Kandror O, Sherman M, Moerschell R, Goldberg AL: Trigger factor associates with GroEL in vivo and promotes its binding to certain polypeptides. J Biol Chem. 1997, 272 (3): 1730-1734. 10.1074/jbc.272.3.1730.
Thomas JG, Baneyx F: ClpB and HtpG facilitate de novo protein folding in stressed Escherichia coli cells. Mol Microbiol. 2000, 36 (6): 1360-1370.
Aguilar PS, Hernandez-Arriaga AM, Cybulski LE, Erazo AC, de Mendoza D: Molecular basis of thermosensing: a two-component signal transduction thermometer in Bacillus subtilis. EMBO J. 2001, 20 (7): 1681-1691. 10.1093/emboj/20.7.1681.
Matsuoka H, Hirooka K, Fujita Y: Organization and function of the YsiA regulon of Bacillus subtilis involved in fatty acid degradation. J Biol Chem. 2007, 282 (8): 5180-5194. 10.1074/jbc.M606831200.
Jagannadham MV, Chattopadhyay MK, Subbalakshmi C, Vairamani M, Narayanan K, Rao CM, Shivaji S: Carotenoids of an Antarctic psychrotolerant bacterium, Sphingobacterium antarcticus, and a mesophilic bacterium, Sphingobacterium multivorum. Arch Microbiol. 2000, 173 (5–6): 418-424.
Sandmann G: Molecular evolution of carotenoid biosynthesis from bacteria to plants. Physiol Plant. 2002, 116 (4): 431-440. 10.1034/j.1399-3054.2002.1160401.x.
Mulvaney R, Abram NJ, Hindmarsh RC, Arrowsmith C, Fleet L, Triest J, Sime LC, Alemany O, Foord S: Recent Antarctic Peninsula warming relative to Holocene climate and ice-shelf history. Nature. 2012, 489 (7414): 141-144. 10.1038/nature11391.