Случаи множественного копирования одного и того же структурного домена по белковой цепи обнаружены в составе многих биологически важных белков таких как, например, интегрин α, анкирины, интерлейкин-1s, ряд трипсиновых ингибиторов, а также во многих белковых токсинах. Копирование доменов по белковой цепи принято рассматривать как “удачную эволюционную стратегию”. Такие белки имеют регулярную консервативную вторичную структуру, формируя при этом трехмерные структуры различных размеров и расширяя доступную для связывания площадь поверхности. При этом ограничения взаимодействий с лигандами, связанные с неконсервативностью первичной структуры белка, снимаются именно множественным копированием структурных повторов. Предполагается, что повторы белковых доменов возникают из-за тандемных дупликаций генов, однако механизмы этого процесса до сих пор не установлены полностью.

Многофункциональный рибосомный белок S1, кодируемый геном rpsA, является частью 30S субъединицы рибосомы и играет важную роль в инициации трансляции мРНК и элонгации. Семейство рибосомных белков S1 составляет примерно 20% от всех бактериальных белков, содержащих S1-домен. Отличительной особенностью этого семейства является множественное копирование структурных доменов в прокариотах.

Для изучения вариабельности бактериального гена rpsA повторов мы исследовали 1324 последовательности этого гена в семействе рибосомных белков S1, с разным количеством структурных доменов S1 (http://oka.protres.ru:4200). Ген rpsA, кодирующий полноразмерные белки S1, содержащие от одного до шести доменов S1, идентичны друг другу на 42%, 38%, 56%, 56%, 44% и 58%, соответственно. При этом, анализ консенсусных последовательностей показал, что участки гена rpsA, кодирующие отдельные домены S1, не имеют строго повторяющейся структуры между группами, содержащими разное количество доменов S1. Часть гена rpsA, кодирующая центральные домены в многодоменных белках S1, более консервативна, чем концевые домены, что коррелирует с тем фактом, что дупликация обнаруживается преимущественно в центральной области белковой цепи между другими повторами. Третий домен шестидоменных белков имеет наиболее консервативную консенсусную последовательность гена по сравнению с другими. Это согласуется с нашим предположением о том, что этот домен следует считать наиболее консервативным. Консенсусная последовательность гена rpsA для всех отдельных доменов, содержит некоторые консервативные части (nTTCGTnGAn, nTnGnn, nGAnnTn), соответствующие трем (из пяти) консервативным остаткам на поверхности домена S1, который образует сайт связывания РНК в бактериальном, археальном и эукариотическом белке, содержащем домен S1. Таким образом, трехмерная организация отдельных доменов S1 (консервативная OB-складка) играет ключевую роль для функционирования семейства.

Анализ последовательностей перед стартовыми кодонами генов rpsA показал, что, область инициации трансляции гена rpsA может складываться в структуру, предложенную для E. coli. Нами обнаружены области инициации трансляции гена rpsA в представителях отделов Terenicutes, Bacteriodites, Cyanobacteria, Firmicutes и Actinobacteria, которые имеют структурное сходство и некоторые особенности консервативных последовательностей. Все последовательности содержат вырожденную последовательность Шайна-Далгарно (в основном GAAG) в шпильке III со стартовым кодоном AUG. Кроме того, шпильки разделены расширенными участками, богатыми A/U (ss1 и ss2). Выявленное нами филогенетическое сходство позволяет предположить, что предложенная укладка область инициации трансляции гена rpsA в E.coli имеет функциональную ценность и, скорее всего, важна для трансляционного контроля экспрессии гена rpsA в других типах бактерий, а не только в гамма-протеобактериях.

Исследования выполнены при поддержке гранта РНФ (Галзитская О.В. 23-14-00342)

Multiple copying of the same structural domain along the protein chain have been found in many biologically important proteins, such as, for example, integrin α, ankyrins, interleukin-1s, a number of trypsin inhibitors, and also in many protein toxins. The copying of domains is considered to be a “successful evolutionary strategy”. Such proteins have a regular conserved secondary structure, while forming three-dimensional structures of various sizes and expanding the surface area available for binding. In this case, the limitations of interactions with ligands associated with the no conservatism of the primary structure of the protein are removed precisely by multiple copying of structural repeats. It is assumed, that protein domain repeats arise due to tandem gene duplications, but the mechanisms of this process have not yet been fully studied.

The polyfunctional ribosomal protein S1 encoded by the rpsA gene is part of the 30S subunit of the ribosome and plays an important role in the initiation of mRNA translation and elongation. The family of the ribosomal protein S1 accounts for approximately 20% of all bacterial proteins containing the S1 domain. A distinctive feature of this family is the multiple copying of structural domains in prokaryotes.

To study the variability of the bacterial rpsA gene, we examined 1324 sequences of this gene in the family of the ribosomal protein S1, with a different number of S1 structural domains (http://oka.protres.ru:4200). The rpsA gene encoding full-length S1 proteins containing from one to six S1 domains are 42%, 38%, 56%, 56%, 44%, and 58% identical to each other, respectively. At the same time, the analysis of consensus sequences showed that the regions of the rpsA gene encoding individual S1 domains do not have a strictly repeating structure between groups containing a different number of S1 domains. The part of the rpsA gene encoding the central domains in multidomain S1 proteins is more conserved than the terminal domains. This finding correlates with the fact that the duplication is found predominantly in the central region of the protein chain between other repeats. The third domain of six domain containing proteins has the most conserved consensus gene sequence compared to the others. This is in line with our assumption that this domain should be considered as the most conservative. The consensus sequence of the rpsA gene for all separate domains contains some conserved parts (nTTCGTnGAn, nTnGnn, nGAnnTn) corresponding to three (out of five) conserved residues on the surface of the S1 domain, which forms the RNA binding site in the bacterial, archeal, and eukaryotic protein containing the S1 domain. Thus, the tertiary structure of separate S1 domains (conservative OB-fold) plays a key role for the functioning of the family.

Analysis of the sequences before the start codons of the rpsA genes showed that the translation initiation region of the rpsA gene can be folded into the structure proposed for E. coli. We have found such rpsA gene translation initiation regions having structural similarities and some features of conserved sequences in representatives of the phyla Terenicutes, Bacteriodites, Cyanobacteria, Firmicutes, and Actinobacteria. All sequences contain a degenerate Shine-Dalgarno sequence (GAAG) in hairpin III with the start codon AUG. In addition, the hairpins are separated by extended areas rich in A/U (ss1 and ss2). Found phylogenetic similarity suggests that the proposed fold of the rpsA gene translation initiation region in E. coli has a functional value and, most likely, is important for the translational control of rpsA gene expression in other phyla of bacteria, and not only in gamma proteobacteria.

The research was supported by a grant from the Russian Science Foundation (Galzitskaya O.V. 23-14-00342).