CC BY
105
ОБРАзОВАНИЕ В ОБЛАСТИ ЭКОЛОГИЧЕСКОй ГЕНЕТИКИ
29
УДК 579.25
© И. я. худяков
ГНУ ВНИИСХМ, Санкт-Петербург
С Некоторые цианобактерии способны к дифференцировке специализированных клеток — осуществляющих аэробную фиксацию азота гетероцист, предназначенных для переживания неблагоприятных условий акинет и служащих для распространения гормогониев. В эволюции биосферы огромное значение имела способность циа-нобактерий к симбиозу с эукарио-тическими организмами, ставшая предпосылкой для появления хлоропластов. В обзоре приведены данные о генах и регуляторных системах, контролирующих диффе-ренцировку специализированных клеток и способность цианобак-терий вступать в разнообразные симбиотические ассоциации.
С ключевые слова: цианобактерии; клеточная дифференцировка; гетероциста; симбиоз.
Поступила в редакцию 21.10.2012 Принята к публикации 30.10.2012
генетика развития и симбиотичЕСкии потенциал
ЦиАНОБАКТЕРиЙ
Оксигенные фототрофы — цианобактерии — составляют филу BX домена Bacteria (Castenholz, 2001), представители которой отличаются уникальным разнообразием размеров и формы клеток, способов клеточного деления, а также одноклеточным, нитчатым, сложным многоклеточным либо колониальным ростом. Многие цианобатерии обладают сложными клеточными циклами, дифференцируют разнообразные специализированные клетки и участвуют в сим-биотических ассоциациях с микроорганизмами, высшими растениями и животными. Цианобактерии вносят существенный вклад в глобальный баланс углерода, кислорода и азота. Они сыграли громадную роль в процессе эволюции биосферы, совершив кислородное окисление атмосферы и тем самым создав условия, необходимые для эволюции эукариот, а цианобактериальные эндосимбионты стали предшественниками хлоропластов растений. В обзоре приводятся данные о генах и регуляторных системах, контролирующих диффе-ренцировку специализированных клеток — гетероцист, акинет и гормогониев и способность вступать в разнообразные симбиотические ассоциации.
генетика дифференцировки гетероцист
Гетероцисты — аэробно фиксирующие азот, конечно, дифференцированные клетки — способны формировать цианобактерии из подсекций IV и V (Castenholz, 2001). Дифференцировка гетероцист требует мобилизации значительных метаболических и энергетических ресурсов и поэтому обычно включается только при исчерпании всех источников связанного азота. Некоторые цианобактерии, в том числе модельные штаммы Anabaena sp. PCC 7120 и Nostoc punctiforme ATCC 29133, образуют регулярно расположенные гетероцисты, у других они могут формироваться только на одном (как у р. Calothrix) или обоих (как у р. Cylindrospermum) концах нитей. Для того чтобы фиксировать молекулярный азот, гетероцистам необходимо прекратить выделение O2 путем инактивации фотосистемы II, обеспечить микроаэробные условия путем формирования дополнительных слоев оболочки, синтезировать нитрогеназный комплекс и в большом количестве производить АТФ и НЛДФ-Н для фиксации азота и дыхания.
Роль клеточного деления в контроле дифференцировки
Чтобы начать дифференцировку вегетативная клетка должна находиться в определенной стадии клеточного цикла. Экспрессия гена ftsZ, кодирующего основной белок аппарата клеточного деления, снижается в ге-тероцистах (Kuhn et al., 2000; Wang, Xu, 2005). Белок SulA из E. coli, ингибирующий ГТ-фазную активность FtsZ in vitro, при экспрессии в Anabaena PCC 7120 блокирует образование септальных колец FtsZ и деление клеток, что полностью подавляет дифференцировку гетероцист (Sakr et al., 2006). В то же время в мутанте hetC, не способном формировать гетероцисты (Khudyakov, Wolk, 1997), начавшие дифференцировку клетки продолжают делиться и усиливают экспрессию ftsZ, одновременно уменьшаясь в размере и теряя автофлюоресценцию (Wang, Xu, 2005; Xu, Wolk, 2001), подобно дифференцирующим гормогониям (см. ниже). По-видимому, в клеточном цикле есть короткий отрезок, когда после деления клетка может начать дифференцировку и затем заблокировать следующее деление. По аминокислотной последовательности HetC наиболее сходен с АВС-транс-
портерами бактериоцинов, индуцируется в прогетеро-цистах и его функцией может быть экспорт пептида, препятствующего ингибированию деления в начавших дифференцировку клетках.
Основные регуляторные гены, контролирующие дифференцировку гетероцист
В процессе формирования гетероцист происходит последовательная активация большого числа генов, специфически связанных с регуляторными, структурными или ферментативными аспектами дифференцировки и функционирования гетероцист. В отличие от многих бактерий со сложными программами развития, регулируемыми переключением альтернативных сигма-факторов, у циа-нобактерий, несмотря на интенсивные поиски мутантов и использование методов обратной генетики, не удалось обнаружить специфичные для гетероцист сигма-факторы (Khudyakov, Golden, 2001). Дифференцировка контролируется как положительными генами-регуляторами: ntcA, hetR и patA, так и отрицательными регуляторными генами: patS и hetN. NtcA принадлежит к CAP-семейс-тву регуляторов транскрипции и контролирует большое количество генов, участвующих в метаболизме азота у цианобактерий (Herrero et al., 2004.). Мутанты по ntcA обладают плейотропным фенотипом и не проявляют никаких признаков морфологической дифференцровки на безазотной среде. 2-оксоглутарат является сенсором азотного статуса клетки и сигнальной молекулой, передающей эту информацию на NtcA (Zhao et al., 2010). HetR, главный регулятор дифференцировки (Meeks, Elhai, 2002), обладает протеазной и ДНК-связывающей активностью и управляет экспрессией многих специфичных для гетероцист генов. HetR связывается с инвертированными повторами в промоторах hetP (Higa, Callahan, 2010), hetZ (Du et al., 2012) и некоторых других генов, однако механизм HetR-зависимой регуляции транскрипции пока не известен. Транскрипции ntcA и hetR взаимозависимы (Olmedo-Verd et al., 2005), регулируются множественными промоторами и прямо или косвенно контролируются многими факторами. Инактивация hetC (Khudyakov, Wolk, 1997) и hetP (Fernández-Piñas et al., 1997) блокирует или резко замедляет дифференцировку гетероцист, а эктопическая экспрессия hetP в мутанте AhetR позволяет частично обойти блок дифференцировки (Higa, Callahan, 2010). PatA, белок с C-концевым доменом, гомологичным CheY-семейству респонс-регуляторов, необходим для дифференциации интеркалярных, но не концевых гетероцист и действует, вероятно, путем белок-белковых взаимодействий. Мутация patA супрессирует Mch фенотип (множественные прилегающие гетероцисты), проявляющийся в присутствии экстракопийного hetR (Liang et al., 1992), и приводит к резкому увеличению концентрации HetR в клетках (Risser, Callahan, 2008). Инактивация hetF блокирует дифференцировку и тоже приводит к повышению концентрации HetR (Risser, Callahan, 2008). Полностью блокирует дифференцировку также инакти-
вация гена hanA, кодирующего гистоноподобный белок нуклеоида HU (Khudyakov, Wolk, 1996). Еще один регуля-торный локус включает гены положительного регулятора hetZ и отрицательного регулятора patU3 (Zhang et al., 2007). В контроле дифференциации участвуют и другие регуляторные белки (Zhang et al., 2006).
Разработанные недавно методы «глубокого секвени-рования» РНК позволили выявить множество антисмысловых и некодирующих РНК, причем некоторые из этих транскриптов регулировались азотным стрессом либо являлись антисмысловыми к известным специфичным для гетероцист генам (Muro-Pastor, Hess, 2012), однако данных об их участии в регуляции дифференцировки пока нет. Рассмотрение вопросов организации и регуляции экспрессии генов нитрогеназного комплекса не входит в задачу данного обзора.
Морфологические изменения при дифференциров-ке гетероцит
При дифференцировке гетероцист происходит радикальная перестройка оболочки клетки и организации внутренних фотосинтетических мембран и многих цитоп-лазматических структур, а также всего клеточного метаболизма. На ранних стадиях, когда формируется наружный фибриллярный слой оболочки, происходит тщательно регулируемое уменьшение диаметра септальной перегородки, отделяющей прогетероцисту от вегетативной клетки, по-вцдимому, при участии пенициллинсвязывающих белков и автолизинов, осуществляющих синтез и гидролиз муреинового слоя клеточной стенки. Кроме того, должны быть блокированы клеточное деление и латеральный рост клеточной стенки. За ограниченным сокращением септы следует изменение формы полярных районов гетероцисты, в результате чего образуются удлиненные шейки. Неясно, является ли это пассивным результатом физических ограничений, налагаемых формированием дополнительных слоев оболочки, либо это активный процесс изменения формы, необходимый для локализованной в этом районе сборки надмолекулярных структур экспорта и импорта метаболитов и межклеточного сигналинга между гетеро-цистами и вегетативными клетками. Экспорт и укладка полисахаридного слоя и образующих ламинарный слой оболочки гликолипидных фибрилл, как и массированное отложение «пробок» резервного цианофицина также могут быть локализованы в районе шейки. Все это свидетельствует о том, что полюса клеток играют важную роль на всех этапах формирования и функционирования зрелой гетероцисты. Ниже мы более подробно рассмотрим генетические аспекты этих процессов.
Синтез и транспорт компонентов гликолипидно-го и полисахаридного слоев оболочки гетероцисты
Большинство генов, отвечающих за формирование гликолипидного и полисахаридного слоев оболочки гетероцисты, расположены в двух хромосомных «островах экспрессии» (Ehira et al., 2003; Fan et al., 2005). Ген devH, кодирующий ДНК-связывающий белок, транскрипция
которого резко возрастает через 8 часов после начала дифференцировки (Hebbar, Curtis, 2000), необходим для индукции генов синтеза гликолипидов и для формирования гликолипидного слоя (Ramírez et al., 2005), однако регуляция самого devH остается не выясненной. devH, по-видимому, координирует синтез разных видов гликолипидов (HGL1 и HGL2). Две гистидин-киназы, кодируемые генамиpkn44 иpkn30 (Shi et al., 2007), регулируют синтез HGL2, а фосфатаза РР2С-типа PrpJ (Jang et al., 2007) участвует в регуляции синтеза HGL1. Мутанты по гену hgdD (heterocyst glycolipid deposition) не способны аэробно фиксировать азот. hgdD кодирует TolC-по-добный белок, образующий канал эффлюкса в наружной мембране; его синтез активируется в прогетероцистах (Moslavac et al., 2007). Мутант hgdD имеет такой же фенотип, как и мутанты по генам devA, devB и devC, кодирующим компоненты ABC-транспортера DevBCA (Fiedler et al., 1998) — они не образуют ламинарного гликолипидного слоя, хотя синтез HGL в цитоплазме не нарушается. По-видимому, HgdD и DevBCA образуют комплекс, соединяющий наружную и цитоплазматичес-кую мембраны и служащий для экспорта гликолипидов, формирующих ламинарный гликолипидный слой оболочки. Гликолипидный «остров» (hgl и hgd гены в районе all5341 -alr5357) отвечает за синтез гликолипидных агликонов и их гликозилирование. Гомологи генов devB (hgdB) и devC (hgdC) также участвуют в формировании ламинарного слоя, однако фенотип соответствующих мутантов отличается его аберрантным расположением (Fan et al., 2005).
Полисахаридный «остров» (hep гены alr2825-alr2841), присутствующий только у гетероцистных цианобктерий, усиленно экспрессируется через 8—24 часа после начала азотного голодания (Ehira, Ohmori, 2006). Многочисленные гены этого кластера, а также расположенные в другом районе гены гликозилтрансфераз alr3698-3699 (Xu et al., 2008), необходимы для формирования поли-сахаридного слоя (Huang et al., 2005) и регулируются двухкомпонентной системой HepK-DevRA (Zhou, Wolk, 2003), реагирующей на пока не выясненные факторы. Кроме этой пары генов, формирование полисахаридного слоя контролируют ген литической амидазы hcwA (Zhu et al., 2001), ген серин/треонин киназы hepS и гистидин-киназы hepN, причем все они не влияют на синтез гликолипидного слоя (см. обзор Xu et al., 2008).
Некоторые мутации в генах компонентов клеточных стенок вегетативных клеток, не сказывающиеся заметным образом на росте на среде со связанным азотом, блокируют рост на безазотной среде, например мутации по генам синтеза липополисахарида вегетативных клеток rfbP и rfbZ, лишь незначительно меняющие структуру оболочки гетероцист (Xu et al., 1997). Мутации по трем генам, кодирующим пенициллинсвязывающие белки Alr5101 (pbpB) (Lázaro et al., 2001), Alr4579 (pbpC) и All2981 (pbpH) (Leganés et al., 2005) также приводят
к дефектам в формировании гетероцист, что указывает на необходимость модификации клеточной стенки для успешной дифференцировки.
Дифференцировка цитоплазмы гетероцисты
Одной из наиболее заметных морфологических особенностей гетероцист является присутствие на полюсах преломляющих свет крупных включений — так называемых полярных пробок или цианофициновых гранул, состоящих из сополимера аргинина и аспарагиновой кислоты (Simon, 1971). Относительно небольшие гранулы цианофицина часто присутствуют и в вегетативных клетках, где служат легко мобилизуемым резервом связанного азота, однако в гетероцистах им отводится особая роль быстро пополняемого и расходуемого для транспорта в соседние клетки динамичного резервуара фиксированного азота (Carr, 1988). Anabaena PCC 7120 содержит два кластера генов (cph1 и cph2), кодирующих ферменты синтеза (цианофи-цин-синтетаза, ген cphА) и расщепления (цианофицина-за, ген cphB) (Picossi et al., 2004). В кластере cph1 гены cphB1 и cphA1 экспрессируются сильнее (и в вегетативных клетках, и в гетероцистах) на среде без связанного азота, а в целом более низкая экспрессия в кластере cph2 ин-гибируется аммонием. Мутационный анализ показал, что диазотрофный рост сильнее подавлялся у мутантов с ина-ктивированной цианофициназой, чем с инактивирован-ной цианофицин-синтетазой. Это свидетельствует о том, что накопление в гетероцистах цианофицина не является необходимым, в то время как способность расщеплять ци-анофицин необходима для эффективного функционирования гетероцист (Picossi et al., 2004).
Цианобактерии обладают углерод-концентрирую-щим механизмом, позволяющим создавать высокую концентрацию СО2 внутри находящихся в цитоплазме клеток карбоксисом — окруженных однослойной белковой мембраной полиэдральных тел, заполненных молекулами рибулозобисфосфаткарбоксилазы. В ходе дифференцировки гетероцист карбоксисомы исчезают, а активность рибулозобисфосфаткарбоксилазы и транскрипция кодирующих ее генов rbcLS в зрелых гетероцистах не обнаруживаются (Madan, Nierzwicki-Bauer, 1993).
В гетероцистах происходит реорганизация системы фотосинтетических мембран: они фрагментируют, теряют характерное для вегетативных клеток расположение и обычно хаотично концентрируются у полюсов гетероцисты перед полярными пробками. Их основной функцией становится дыхание (Valladares et al., 2007). Какую-то роль в реорганизации мембран может играть белок FraH, поскольку в мутанте fraH ее не происходит (Merino-Puerto, Mariscal et al., 2011). Морфологическим изменениям тилакоидов сопутствует перестройка фотосинтетического аппарата: фотосистема II перестает функционировать и образование кислорода прекращается, а активность фотосистемы I сохраняется. Основные светособирающие пигменты II фотосистемы — фикобилипротеины и содержащие их структуры — фико-билисомы в значительной степени деградируют, а уровень
хлорофилла a снижается незначительно, при этом происходит увеличение числа реакционных центров фотосистемы I (Wolk et al., 1994; Meeks, Elhai, 2002).
Для усиления синтеза АТФ и создания микроаэробных условий, необходимых для функционирования нитрогена-зы, в гетероцистах резко активизируется дыхание. Для этого индуцируются гены терминальных оксидаз. У Anabaena РСС 7120 их кодируют три кластера генов: cox1 и cox2 кодируют по три субъединицы цитохром с оксидазы aa3-типа, а кластер cox3 кодирует три субъединицы альтернативной терминальной оксидазы ARTO (Valladares et al., 2003). В то время как кластер cox1 экспрессируется в вегетативных клетках, кластеры cox2 и cox3 экспрессируются в формирующихся и зрелых гетероцистах, и функционирование по крайней мере одного из этих кластеров необходимо для диазотрофного роста. У двойного мутанта cox2 cox3 нарушается реорганизация тилакоидов, наблюдается задержка деградации карбоксисом и полностью исчезает нитрогеназ-ная активность (Valladares et al., 2007). Никаких нарушений в формировании гликолипидного и полисахаридного слоев оболочки у этого мутанта не наблюдается.
Механизмы межклеточного транспорта метаболитов и сигнальных молекул
Многоклеточные нити цианобактерий ведут себя как единый организм, обмениваясь метаболитами и, вероятно, сигнальными молекулами. Каналами такого обмена может служить непрерывное периплазматическое пространство между окружающими каждую клетку цитоп-лазматическими мембранами и общей для всех клеток в нити наружной мембраной, а также микроплазмодес-мы — пронизывающие септальные перегородки полые структуры длиной около 30 нм и диаметром 5 нм, служащие для транспорта низкомолекулярных метаболитов. Недавно они были названы септосомами (Haselkorn, 1978; Wilk et al., 2011).
Функциональная непрерывность периплазмы вдоль всей нити остается пока предметом дискуссий. Противоречивые результаты были получены в опытах с диффузией рекомбинантного белка GFP, экспрессируемого с работающих практически исключительно в гетероцистах промоторов. В одной работе был использован PpatS промотор и GFP, к N-концу которого был присоединен сигнальный пептид, обеспечивавший транспорт правильно свернутого функционального белка в периплазму ТАТ-системой трансмембранной транслокации и последующим отрезанием сигнального пептида сигнальной пептидазой I (Mariscal et al., 2007). В безазотной среде GFP синтезировался в про- и гетероцистах, экспортировался и диффундировал по периплазме вдоль соседних клеток. Замена сигнального пептида с сайтом расщепления пептидазой I на сайт расщепления пептидазой II приводила к заякориванию GFP на цитоплазматической мембране и отсутствию какой-либо его диффузии вдоль нити. В другой работе, где был использован аналогичный экспериментальный подход, отличавшийся лишь использованием других специфичных
для гетероцист промоторов и выбором другой сигнальной последовательности для экспорта GFP в периплазму, был получен прямо противоположный результат, указывавший на существование периплазматических межклеточных барьеров, препятствующих свободной диффузии макромолекул вдоль филаменты (Zhang et al., 2008). Возможные причины столь кардинальных отличий в результатах обсуждаются в ряде статей (Haselkorn, 2008; Mariscal, Flores, 2010; Zhang et al., 2008;), однако дальнейшей экспериментальной проверки пока не последовало.
Первые данные о вероятных белковых компонентах микроплазмодесм были получены при изучении фрагмен-тирующих мутантов Anabaena РСС 7120. Мутанты по гену alr2338, названномуfraG, фрагментируют на среде без азота, не способны синтезировать специфические для гетеро-цист гликолипиды и фиксировать азот (Nayar et al., 2007). Поскольку оверэкспрессия hetR на среде с азотом также вызывала фрагментацию, не отсутствие связанного азота, а индукция дифференцировки приводила к фрагментации. В другой лаборатории, продолжившей исследования этого гена, он получил название sepJ в соответствии с его локализацией (Flores et al., 2007). SepJ локализуется на полюсах клеток в септальных перегородках. Кроме того, слитой белок SepJ-GFP выявляется в виде кольца, сходного с Z-кольцом, в центре клетки в начале ее деления (Mariscal, Flores, 2010). SepJ содержит N-концевой клубок-домен, центральный линкерный и C-концевой пермеазный домены. Как показал делеционный анализ, линкер не является существенным, а клубок-домен необходим для локализации на полюсах клеток, нормального межклеточного транспорта низкомолекулярных флуоресцентных индикаторов (каль-цеина и 5-CFDA) и диазотрофии (Mariscal et al., 2011).
В септе локализуются также белки FraC и FraD, вероятно действующие скоординированно и влияющие на локализацию SepJ. Хотя формирование септосом не зависит от SepJ, в его отсутствие расстояние между цитоплазматическими мембранами в септе значительно увеличивается (Wilk et al., 2011). Инактивация fraC и fraD также приводит к фрагментации нитей. Эти три белка могут совместно участвовать в формировании сеп-тосом, либо участвовать в формировании двух независимых комплексов, один из которых включает FraC/FraD, а другой SepJ (Merino-Puerto, Schwarz et al., 2011).
Помимо этих белков в формировании септы у Anabaena участвует ConR (Mella-Herrera et al., 2011). Мутант conR образует гетероцисты с дефектными полюсами и не способен расти диазотрофно, возможно из-за нарушенного транспорта фиксированного азота в вегетативные клетки, поскольку активность нитрогеназы снижается лишь на 30 % (Mella-Herrera et al., 2011). Необходимая для диазотрофного роста N-ацетилму-рамоил-Ь-аланин амидаза HcwA (Alr0093) (Zhu et al., 2001) наряду с другими гидролазами клеточной стенки может участвовать в образовании в муреине септы пор, необходимых для сборки септосом.
Контроль формирования паттерна гетероцист HetR является главным регулятором не только процесса дифференцировки гетероцист, но и формирования их регулярного паттерна. Он интегрирует различные сигналы, поступающие из внешней среды и от других клеток (такие, как концентрация внеклеточных источников азота, внутриклеточный азотно-углеродный баланс и стадии клеточного цикла соседних клеток) и определяет, когда и какие клетки начнут дифференцировку. Инактивация hetR, блокирует самую раннюю стадию дифференциации, а оверэкспрессия приводит к конститутивному образованию аномально большого числа гетероцист (Buikema, Haselkorn, 2001). Мутация R223W (Khudyakov, Golden, 2004) делает HetR нечувствительным к основным негативным регуляторам PatS и HetN. patS, кодирующий небольшой полипептид (Yoon, Golden, 1998), и hetN, кодирующий кетоацилредуктазу (Black, Wolk, 1994), в муль-тикопиях ингибируют дифференцировку и необходимы для формирования (patS) и поддержания (hetN) регулярного паттерна гетероцист. Инактивация patS приводит к аберрантному паттерну и образованию множественных прилегающих гетероцист (Pat Mch фенотип) (Yoon, Golden, 1998). Делеция hetN не изменяет первоначального паттерна, но вызывает Mch фенотип при последующих циклах дифференциации (Callahan, Buikema, 2001). Одновременная инактивация этих генов ведет к дифференциации всех клеток и гибели нитей (Borthakur et al., 2005). PatS содержит необходимый для активности С-концевой пентапептид RGSGR, который ингибиру-ет ДНК-связывающую активность HetR (Huang et al., 2004). N- и С-концевые участки HetN могут быть делети-рованы без потери регуляторной функции, а центральная часть также содержит RGSGR мотив, необходимый для поддержания паттерна (Higa et al., 2012). В формировании паттерна принимают участие и другие гены. Мутация patA приводит к формированию гетероцист почти исключительно на концах нитей (Liang et al., 1992). Инактивация patU3 вызывает Mch фенотип у дикого типа, а у мутанта ApatA восстанавливает образование интеркалярных гетероцист (Zhang et al., 2007). Инактивация кодирующего мембранный белок гена patN приводит к трехкратному увеличению частоты гетероцист и усилению транскрипции patA (Risser et al., 2012), что указывает на роль PatN в модуляции уровня PatA. В присутствии PatN снижается компетентность вегетативных клеток инициировать дифференцировку, а поскольку слитой белок PatN-GFP распределяется неравномерно между дочерними клетками при делении, их шансы превратиться в гетероцисту будут неравными (Risser et al., 2012). Какую-то роль в формировании паттерна может играть и asr1734, присутствующий только у гетероцистных цианобактерий. Его экспрессия локализуется в про- и гетероцистах, инактивация приводит к двукратному увеличению частоты гетероцист и слабому Mch фенотипу, а сверхэкспрессия блокирует дифференцировку (Wu et al., 2007).
дифференцировка акинет
Акинеты (от греческого akinetos, неподвижные) — это специализированные покоящиеся клетки цианобактерий, способные к прорастанию в благоприятных условиях. Акинеты устойчивы к обезвоживанию и к низкой, но не к повышенной температуре, что позволяет им не только переживать холодные и засушливые сезоны, но и многие годы сохранять жизнеспособность в экстремальных условиях. В донных отложениях озер способность акинет к прорастанию сохраняется более ста лет (Wood et al., 2009). К формированию акинет способны только нитчатые гетероцист-ные цианобактерии из подсекций IV и V (Castenholz, 2001). Акинеты легко отличить от вегетативных клеток по их увеличенным размерам, утолщенной клеточной стенке, дополнительной многослойной оболочке и многочисленным гранулам цианофицина, благодаря которым цитоплазма выглядит зернистой (Jensen, Clark, 1969). Помимо циано-фицина акинеты аккумулируют гликоген, липиды и каро-тиноиды, а полифосфаты исчезают (Castenholz, 2001).
В экспериментальных условиях формирование акинет наблюдается в стареющих неаэрируемых, энергетически лимитированных культурах, при слабой освещенности и при дефиците фосфора (Adams, Duggan, 1999). В зрелых покоящихся акинетах сохраняется низкий уровень метаболической активности, детектируемый по включению метки в белки и липиды, поглощению кислорода в темноте и выделению на свету (Thiel, Wolk, 1983). В процессе дифференцировки акинет из вегетативных клеток содержание ДНК в них возрастает в среднем с 8 геномных эквивалентов до 119, т. е. в 15 раз (Sukenik et al., 2012). Это, очевидно, необходимо при прорастании, которое индуцируется повышением освещенности и разбавлением суспензии в свежей среде и сопровождается локальным лизисом либо растворением всей оболочки и выходом короткой нити (Meeks et al., 2002).
Первым шагом в генетических исследованиях формирования акинет было обнаружение маркерного гена avaK (ортолога all4050), экспрессирующегося практически исключительно в акинетах A. cylindrica ATCC29414 и кодирующего белок с неизвестной функцией (Zhou, Wolk, 2002). Следующим шагом стала разработка модельной системы, позволяющей применить весь арсенал уже опробованных в исследованиях гетероцист методов. Было обнаружено, что использование zwf мутанта N. punctiforme ATCC 29133 позволяет получить легко контролируемую синхронную индукцию дифференцировки акинет (Argueta, Summers, 2005). zwf кодирует глюкозо-6-фосфат дегид-рогеназу, начальный фермент окислительного пентозо-фосфатного пути. При инкубации в темноте в присутствии фруктозы мутант прекращал рост и полностью дифференцировал в подобные акинетам клетки, в то время как исходный дикий тип переключался на гетеротрофный рост. Диф-ференцировка именно акинет подтверждалась окраской оболочки специфическими для акинет красителями, устой-
чивостью к охлаждению, высушиванию и лизоциму, а также резким усилением экспрессии маркерного гена avaK. С использованием этой модельной системы методом обратной транскрипции-ПЦР в реальном времени были идентифицированы три новых гена, экспрессирующихся в акинетах: аминопептидазы (aapN), цинк-зависимой металлопротеа-зы (hap) и ABC-транспортера (aet). Экспрессия hap усиливалась также в дифференцирующих гормогониях (Argueta et al., 2006). Более тщательный анализ экспрессии генов методом ДНК-микроэррей выявил 497 генов, дифференциально экспрессирующихся в акинетах (Campbell et al., 2007). Подавляемая фракция была обогащена генами основного метаболизма, что согласуется с переходом в поко-яшуюся стадию. В дифференцировке акинет, по-видимому, участвует относительно небольшое количество адаптивных белков (11 %), что может облегчить анализ их функциональной роли в развитии. Усиливается транскрипция маркерного гена avaK, а также patA и hetF, гораздо лучше изученных у Anabaena sp. PCC 7120 и считавшихся специфичными для гетероцист, и нескольких транскрипционных факторов, в том числе вероятно специфичного для аки-нет сигма-фактора группы 2. Среди подавлявшихся генов нужно особо отметить hetR, однако в целом перекрывание со специфичными для гетероцист генами было незначительным (Campbell et al., 2007).
дифференцировка гормогониев
Гормогонии предсталяют собой специализированные короткие недифференцированные нерастущие филамен-ты, образующиеся в результате фрагментации родительских вегетативных трихомов у разнообразных нитчатых цианобактерий. Фрагментация трихомов происходит в местах соединения гетероцист с вегетативными клетками (Meeks et al., 2002) либо в результате лизиса отдельных клеток, называемых некридиями (Castenholz, 2001). Клетки в гормогониях обычно отличаются по форме и мельче вегетативных клеток. Гормогонии являются временной нерастущей стадией в жизненном цикле, по завершении которой они опять превращаются в вегетативные нити (Tandeau de Marsac, 1994). Гормогонии не образуют гетероцист и неспособны к аэробной фиксации азота. Их функция — распространение и колонизация новых ниш. Этой цели служит и образование газовых везикул, обеспечивающих гормогониям плавучесть (Tandeau de Marsac, 1994; Damerval et al., 1987).
Хотя функцией гормогониев является распространение, парадоксально, что их образование является ответом не на ухудшение, а на улучшение условий окружающей среды (Adams, 1997); кроме того, оно стимулируется факторами растительного происхождения (см. ниже). Еще одним важным регулятором дифферен-цировки гормогониев является освещение: красный свет (640—650 нм) ее стимулирует, а зеленый свет ингибиру-ет (Robinson, Miller, 1970; Damerval et al., 1991)
Дифференцировка гормогониев начинается с одно-го-двух раундов быстрого и синхронного деления клеток, разобщенного с ростом и репликацией ДНК, что приводит к уменьшению размеров (диаметр уменьшается в 2—3 раза) и массы клеток и плоидности генома (Herdman, Rippka, 1988; Tandeau de Marsac, 1994). При этом наблюдается общее снижение уровня синтеза пигментов и макромолекул при усилении синтеза некоторых специфических белков (Damerval et al., 1991).
Обычно гормогонии являются единственной подвижной стадией благодаря способности к скользящему движению по твердой поверхности, для чего, по-видимому, необходимы пили IV типа (Duggan et al., 2007). Вегетативные клетки N. punctiforme лишены пилей, но в процессе дффе-ренцировки гормогониев их поверхность покрывается многочисленными перитрихиально расположенными нитями, сходными с пилями IV типа. Их роль в подвижности и колонизации хозяев в процессе установления симбиоза, а также свойства описанных pil мутантов подробно рассмотрены в недавнем обзоре (Adams, Duggan, 2008). Другим механизмом, способным обеспечить подвижность гормогониям, является направленная секреция полисахаридной слизи (Hoiczyk,Baumeister, 1998).Недавнобылиописанымутанты N. punctiforme в кластере генов, обозначенном che2, утратившие подвижность гормогониев и секрецию полисахаридов (Risser, Meeks, 2012). Белки из этого кластера локализовались в виде колец на полюсах клеток около септы, где расположены так называемые соединительные поры, через которые происходит секреция полисахаридной слизи. В мутанте che2 не индуцируется экспрессия полиса-харидного локуса, содержащего многочисленные гены гли-козилтрансфераз и другие гены, которые могут кодировать компоненты соединительных пор. Делеции в этом локусе также приводили к потере подвижности и секреции полисахаридов (Risser, Meeks, 2012).
цианобактерии в симбиотических ассоциациях
Цианобактерии образуют симбиотические ассоциации с грибами (лишайники и близкий к гломеромицетам Geosiphon pyriformis), животными (динофлагелляты, губки, асцидии), низшими (диатомовые водоросли) и высшими растениями (талломные мхи классов Anthocerotae и Hepaticae, водяные папоротники рода Azolla, голосеменные порядка Cycadales (саговники) и покрытосеменные рода Gunnera) (Raven, 2002). Цианобактерии обеспечивают эукариотическим партнерам способность к росту и развитию в условиях дефицита связанного азота. В симбиоти-ческих ассоциациях они не индуцируют морфологичеких изменений в инфицируемых органах. В разных симбиозах с растениями инфицироваться может таллом, лист, корень или стебель хозяина. Каждый из симбиозов (за исключением Azolla spp.) воспроизводится в поколениях растения de novo, и не имеет строгой специфичности. Инфицировать
одного хозяина могут несколько разных штаммов циано-бактерий, которые обычно обладают инфекционностью в отношении таксономически различных растений. Важную роль в процессе установления симбиотических ассоциаций играют продуцируемые растительными партнерами химические соединения, способные как стимулировать, так и ингибировать дифференциацию гормогониев (Cohen, Meeks, 1997), а также быть факторами их положительного и отрицательного таксиса. Дифференцировка подвижных гормогониев и способность к положительному хемотаксису являются необходимыми условиями колонизации. Об этом свидетельствует способность обладающих положительным фототаксисом гормогониев мигрировать в противоположном от источника света направлении при колонизации Gunnera (Johansson, Bergman, 1992), а также другие экспериментальные данные (Knight, Adams, 1996).
В симбиотических ассоциациях цианобактерии могут переключаться с фотоавтотрофного роста на фото- или хемогетеротрофию, усиливать азотфиксирующую активность и экскретировать продукты азотфиксации, изменять морфологию и стратегию клеточной дифференцировки. Происходит замедление трех физиологических процессов — роста и ассимиляции CO2 и NH4+, и увеличение частоты гетероцист и усиление фиксации N2. Различные экспериментальные данные свидетельствуют, что в симби-отических ассоциациях Nostoc сохраняет низкий уровень фотосинтетической активности, а высокая активность нит-рогеназы поддерживается за счет продуктов фотосинтеза хозяина (Meeks, Elhai, 2002). Специфическая активность нитрогеназы у Nostoc в разных симбиотических ассоциациях в 3-5 раз выше, чем в свободноживущих культурах, а количество восстановленного из N2 и экскретирован-ного NH4+ достигает 40-90 %, что может быть связано (частично и не во всех ассоциациях) с ингибированием глютаминсинтетазы (Meeks, Elhai, 2002).
Ставший модельным штамм N. punctiforme ATCC 29133 был выделен из симбиотической ассоциации с саговником Macrozamia sp. (Rippka, Herdman, 1992). В лабораторных условиях можно реконструировать его внеклеточную симбиотическую ассоциацию с Anthoceros punctatus и внутриклеточную с Gunnera spp. (Meeks, 1998). Собственно генетических данных по механизмам симбиотичес-кого взаимодействия пока очень мало. Мутант этого штамма по одному из ключевых регуляторных генов ntcA, хотя и образует гормогонии, не способен инфицировать хозяина. Этот дефект не может быть обусловлен Fix- фенотипом мутанта, поскольку другие Fix- мутанты сохраняют инфекционность, что говорит о том, что роль NtcA не ограничивается азотной регуляцией (Wong, Meeks, 2002). Инактивация sigH, гена одного из сигма-факторов группы 2, в шесть раз повышает эффективность первичной колонизации хозяина Anthoceros, хотя и не приводит к повышению частоты дифференцировки гормогониев или удлинению их подвижной стадии (Campbell et al., 1998). sigH не экспрессируется в обычных или стрессовых условиях
и на среде без азота, но активируется между 1,5 и 6 часами после добавления в среду индуцирующего фактора хозяина. Гены, транскрипцию которых регулирует sigH, не известны, однако они явно участвуют в модуляции инфекционного процесса (Campbell et al., 1998). Мутация в гене hrmA в локусе, вероятно связанном с катаболизмом глюкуроновой и галактуроновой кислот, также приводит к 8—10-кратному повышению инфекционности и 2—3-кратному увеличению частоты дифференцировки гормогониев (Cohen, Meeks, 1997). Несмотря на сходство фенотипов, механизмы действия hrmA и sigH различны, поскольку фенотип hrmA мутанта не обусловлен SigH-за-висимой транскрипцией hrm локуса (Meeks et al., 2002).
В отличие от других симбиозов цианобактерий с растениями, внеклеточный эндосимбиоз Nostoc azollae 0708 с водяным папоротником Azolla microphylla является непрерывным (Ran et al., 2010). Потерявшая способность к автономному росту цианобактерия наследуется вертикально в генерациях растения либо путем фрагментации боковых побегов хозяина, либо половым путем внутри мегаспорокарпов. В последнем случае часть цианобактериальной популяции, живущей эндофитно в листьях Azolla, служит инокулюмом для новых генераций растения. Половой путь основан на способности эндосимбионта продуцировать подвижные гормогонии, которые проникают в спорокарп через узкую пору. После проникновения гормогонии дифференцируют в акинеты и находятся в состоянии покоя до прорастания спорокар-па (Zheng et al., 2009). Коэволюция партнеров в этой ассоциации длилась около 140 млн лет (Ran et al., 2010).
Полностью секвенированный геном этой цианобакте-рии состоит из одной хромосомы и двух плазмид. Хромосома содержит более 600 инсерционных последовательностей, из 5 357 предсказанных кодирующих последовательностей только 3 668 являются интактными, а остальные являются псевдогенами. Несмотря на утерю многих важных функций цианобионт способен к медленному росту и делению и полностью сохранил способность к дифференцировке специализированных клеток — гетероцист, акинет и гормого-ниев. Это первый случай обнаружения деградации генома у фенотипически сложной эндосимбиотической цианобак-терии и один из немногих примеров редуктивной эволюции генома у внеклеточных эндосимбионтов.
Одним из самых неожиданных результатов масштабного применения современных методов параллельного пи-росеквенирования для исследования биоценозов в пробах морской воды стала реконструкция генома широко распространенной некультивируемой одноклеточной азотфик-сирующей цианобактерии (UCYN-A). В нем отсутствуют гены ферментов многих метаболических путей, в том числе циклов Кальвина, трикарбоновых кислот и выделяющей кислород фотосистемы II. Размер этого редуцированного генома всего 1,44 Мб, и благодаря присутствию инвертированных повторов оперонов рибосомальной РНК структурно он сходен с геномами многих хлоропластов. Отсутствие пу-
тей биосинтеза нескольких аминокислот и пуринов указывало, что эта цианобактерия должна находиться в пищевой зависимости и существовать в тесной ассоциации или симбиозе с другими организмами (Bothe et al., 2010; Tripp et al., 2010; Zehr et al., 2008). Совсем недавно удалось выяснить, что UCYN-A находится в симбиотической ассоциации с одноклеточной примнезиофитовой водорослью (Thompson et al., 2012). Таким образом, технологический прорыв в области геномного секвенирования приносит удивительные новые данные, существенно расширяющие и углубляющие наши представления о происхождении и вероятных этапах эволюции хлоропластов.
Работа поддержана грантом РФФИ 10-04-01177-а.
литература
1. Adams D. G., 1997. Cyanobacteria. // Bacteria as multicellular organisms / Eds. J. A. Shapiro et al. Oxford University Press, New York. P. 109—148.
2. Adams, D. G., Duggan P. S., 1999. Heterocyst and akinete differentiation in cyanobacteria // New Phytol. Vol. 144. P. 3-33.
3. Adams D. G, Duggan P. S., 2008. Cyanobacteria-bryo-phyte symbioses // J. Exp. Bot. Vol. 59. P. 1047-1058.
4. Anderson D. C., Campbell E. L., Meeks J. C., 2006. A soluble 3D LC/MS/MS proteome of the filamentous cyanobacterium Nostocpunctiforme // J. Proteome Res. Vol. 5. P. 3096-3104.
5. Argueta C, Summers M. L., 2005. Characterization of a model system for the study of Nostoc punctiforme akinetes // Arch. Microbiol. Vol. 183. P. 338-346.
6. Argueta C., Yuksek K., PatelR. et al., 2006. Identification of Nostoc punctiforme akinete-expressed genes using differential display // Mol. Microbiol. Vol. 61. P 748-757.
7. Black T. A., Wolk C.P., 1994. Analysis of a Het- mutation in Anabaena sp. strain PCC 7120 implicates a secondary metabolite in the regulation of heterocyst spacing // J. Bacteriol. Vol. 176. P. 2282-2292.
8. Borthakur P. B., Orozco C. C., Young-Robbins S. S. et al., 2005. Inactivation of patS and hetN causes lethal levels of heterocyst differentiation in the filamentous cyanobacterium Anabaena sp. PCC 7120 // Mol. Microbiol. Vol. 57. P. 111-123.
9. Bothe H., Tripp H. J., Zehr J. P., 2010. Unicellular cy-anobacteria with a new mode of life: the lack of photo-synthetic oxygen evolution allows nitrogen fixation to proceed // Arch. Microbiol. Vol. 192. P. 783-790.
10. Buikema W. J., Haselkorn R., 2001. Expression of the Anabaena hetR gene from a copper-regulated promoter leads to heterocyst differentiation under repressing conditions //Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. Vol. 98. P 2729-2734.
11. Callahan S. M., Buikema W. J., 2001. The role of HetN in maintenance of the heterocyst pattern in Anabaena sp. PCC 7120 // Mol. Microbiol. Vol. 40. P 941-950.
12. Campbell E. L., Brahamsha B., Meeks J. C., 1998. Mutation of an alternative sigma factor in the cyanobacterium Nostoc punctiforme results in increased infection of its symbiotic plant partner, Anthoceros puncta-tus // J. Bacteriol. Vol. 180. P. 4938-4941.
13. CampbellE.L., SummersM.L., Christman H. et al., 2007. Global gene expression patterns of Nostoc punctiforme in steady-state dinitrogen-grown heterocyst-containing cultures and at single time points during the differentiation of akinetes and hormogonia // J. Bacteriol. Vol. 189. P. 5247-5256.
14. CarrN. G., 1988. Nitrogen reserves and dynamic reservoirs in cyanobacteria // Biochemistry of the Algae and Cyanobacteria / Eds. L. J. Rogers and J. R. Gallon, Clarendon Press, Oxford, United Kingdom, P. 13-39.
15. Castenholz R. W., 2001. Phylum BX. Cyanobacteria // Bergey's Manual of Systematic Bacteriology / Eds. D. R. Boone and R. W. Castenholz. New York, Springer, 2nd edn, Vol. 1. P. 473-487.
16. Cohen M. F., Meeks J. C, 1997. A hormogonium regulating locus, hrmUA, of the cyanobacterium Nostoc puncti-forme strain ATCC 29133 and its response to an extract of a symbiotic plant partner Anthoceros punctatus // Mol. Plant-Microbe Interact. Vol. 10. P 280-289.
17. Damerval T., Houmard J., Guglielmi G. et al., 1987. A developmentally regulated gvpABC operon is involved in the formation of gas vesicles in the cyanobacterium Calothrix 7601 // Plant Cell. Vol. 3. P. 191-201.
18. Damerval T., Guglielmi G., Houmard J., Tandeau de Marsac N., 1991. Hormogonium differentiation in the cyanobacterium Calothrix: a photoregulated developmental process // Plant Cell Vol. 3. P. 191-201.
19. Du Y., Cai Y., Hou S., XuX, 2012. Identification of the HetR recognition sequence upstream of hetZ in Anabaena sp. strain PCC 7120 // J. Bacteriol. Vol. 194. P 2297-2306.
20. Duggan P. S., Gottardello P., Adams D. G., 2007. Molecular analysis of genes in Nostoc punctiforme involved in pilus biogenesis and plant infection // J. Bacteriol. Vol. 198. P. 4547-4551.
21. Ehira S., Ohmori M., Sato N., 2003. Genome-wide expression analysis of the responses to nitrogen deprivation in the heterocyst-forming cyanobacterium Anabaena sp. strain PCC 7120 // DNA Res. Vol. 10. P. 97-113.
22. Ehira S., Ohmori M., 2006. NrrA, a nitrogenrespon-sive response regulator facilitates heterocyst development in the cyanobacterium Anabaena sp. strain PCC 7120//Mol. Microbiol. Vol. 59. P. 1692-1703.
23. Fan Q., Huang G., Lechno-Yossef S. et al., 2005. Clustered genes required for synthesis and deposition of envelope glycolipids in Anabaena sp. strain PCC 7120 // Mol. Microbiol. Vol. 58. P. 227-243.
24. Fernandez-Pinas F., Leganes F., Wolk CP., 1994. A third genetic locus required for the formation of het-erocysts in Anabaena sp. strain PCC 7120 // J. Bacteriol. Vol. 176. P. 5277-83.
0BPA30BÄHME B OBMCTH ЭКОMОГMЦECКОM fEHETMKM
37
25. FloresE., PernilR., Muro-PastorA.M. et al., 2007. Septum-localized protein required for filament integrity and diazotrophy in the heterocyst-forming cyanobacte-rium Anabaena sp. strain PCC 7120 // J. Bacteriol. Vol. 189. P. 3884-3890.
26. Fiedler G., Arnold M., Hannus S. et al., 1998. The DevBCA exporter is essential for envelope formation in heterocysts of the cyanobacterium Anabaena sp. strain PCC 7120 // Mol. Microbiol. Vol. 27. P. 1193-1202.
27. Haselkorn R, 1978. Heterocysts // Annu. Rev. Plant Physiol. Vol. 29. P. 319-344.
28. Haselkorn R. 2008. Cell-cell communication in filamentous cyanobacteria // Mol. Microbiol. Vol. 70. P. 783-785.
29. Hebbar P. B, Curtis S. E, 2000. Characterization of devH, a gene encoding a putative DNA binding protein required for heterocyst function in Anabaena sp. strain PCC 7120 // J. Bacteriol. Vol. 182. P. 3572-3581.
30. Herdman M, Rippka R., 1988. Cellular differentiation: hormogonia and baeocytes // Methods Enzymol. Vol. 167. P. 232-242.
31. Herrero A., Muro-Pastor A. M., Valladares A., Flores E, 2004. Cellular differentiation and the NtcA transcription factor in filamentous cyanobacteria // FEMS Mi-crobiol. Rev. Vol. 28. P. 469-487.
32. Higa K. C., Callahan S.M., 2010. Ectopic expression of hetP can partially bypass the need for hetR in heterocyst differentiation by Anabaena sp. strain PCC 7120 // Mol. Microbiol. Vol. 77. P. 562-574.
33. HigaK. C., RajagopalanR., RisserD.D. et al., 2012. The RGSGR amino acid motif of the intercellular signalling protein, HetN, is required for patterning of het-erocysts in Anabaena sp. strain PCC 7120 // Mol. Microbiol. Vol. 83. P. 682-693.
34. Hoiczyk E., Baumeister W., 1998. The junctional pore complex, a prokaryotic secretion organelle, is the molecular motor underlying gliding motility in cyanobacteria // Curr. Biol. Vol. 8. P. 1161-1168.
35. Huang X., Dong Y, Zhao J., 2004. HetR homodimer is a DNA-binding protein required for heterocyst differentiation, and the DNA-binding activity is inhibited by PatS // Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. Vol. 101. P 4848-4853.
36. Huang G., Fan Q., Lechno-Yossef S. et al., 2005. Clustered genes required for the synthesis of heterocyst envelope polysaccharide in Anabaena sp. strain PCC 7120 // J. Bacteriol. Vol. 187. P. 1114-1123.
37. Jang J., Wang L., Jeanjean R. et al., 2007. PrpJ, a PP2C-type protein phosphatase located on the plasma membrane, is involved in heterocyst maturation in the cyanobacterium Anabaena sp. PCC 7120 // Mol. Microbiol. Vol. 64. P. 347-358.
38. Jensen T.E., Clark R.L., 1969. Cell wall and coat of the developing akinete of a Cylindrospermum species // J. Bacteriol. Vol. 97. P 1494-1495.
39. Johansson C., Bergman B., 1992. Early events during the establishment of the Gunnera / Nostoc symbiosis // Planta Vol. 188. P. 403-413.
40. Khudyakov I. Y., Golden J. W., 2001. Identification and inactivation of three group 2 sigma factor genes in Anabaena sp. strain PCC 7120 // J. Bacteriol. Vol. 183. P. 6667-6675.
41. Khudyakov I. Y, Golden J. W., 2004. Different functions of HetR, a master regulator of heterocyst differentiation in Anabaena sp. PCC 7120 can be separated by mutation // Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. Vol. 101. P. 16040-16045.
42. Khudyakov I., Wolk C. P., 1996. Evidence that the hanA gene coding for HU protein is essential for heterocyst differentiation in, and cyanophage A-4(L) sensitivity of, Anabaena sp. strain PCC 7120 // J. Bacteriol. Vol. 178. P. 3572-3577.
43. Khudyakov I., Wolk C.P. 1997. hetC, a gene coding for a protein similar to bacterial ABC protein exporters, is involved in early regulation of heterocyst differentiation in Anabaena sp. strain PCC 7120 // J. Bacteriol. Vol. 179. P. 6971-6978.
44. Knight C. D, Adams D. G., 1996. A method for studying chemotaxis in nitrogen fixing cyanobacterium-plant symbioses // Physiol. Mol. Plant Pathol. Vol. 49. P. 73-77.
45. Kuhn I., PengL, Bedu S, Zhang C. C, 2000. Developmental regulation of the cell division protein FtsZ in Anabaena sp. strain PCC 7120, a cyanobacterium capable of terminal differentiation // J. Bacteriol. Vol. 182. P. 4640-4643.
46. Lázaro S., Fernández-Piñas F., Fernández-Valiente E. et al., 2001. pbpB, a gene coding for a putative penicillin-binding protein, is required for aerobic nitrogen fixation in the cyanobacterium Anabaena sp. strain PCC7120 // J. Bacteriol. Vol. 183. P. 628-636.
47. LeganésF, Blanco-Rivero A, Fernández-PiñasF. et al., 2005. Wide variation in the cyanobacterial complement of presumptive penicillin-binding proteins // Arch. Microbiol. Vol. 184. P. 234-248.
48. Liang J., Scappino L., Haselkorn R., 1992. The patA gene product, which contains a region similar to CheY of Escherichia coli, controls heterocyst pattern formation in the cyanobacterium Anabaena 7120 // Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. Vol. 89. P. 5655-5659.
49. MadanA.P., Nierzwicki-BauerS.A., 1993. In situ detection of transcripts for ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase in cyanobacterial heterocysts // J. Bacteriol. Vol. 175. P. 7301-7306.
50. Mariscal V., Flores E., 2010. Multicellularity in a het-erocyst-forming cyanobacterium: pathways for intercellular communication // Adv. Exp. Med. Bio.l. Vol. 675. P. 123-135.
51. Mariscal V., Herrero A., Flores E, 2007. Continuous periplasm in a filamentous, heterocyst-forming cyanobacterium // Mol. Microbiol. Vol. 65. P 1139-1145.
38
ОБРАЗОВАНИЕ В ОБЛАСТИ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ГЕНЕТИКИ
52. Mariscal V., Herrero A., Nenninger A. et al., 2011. Functional dissection of the three-domain SepJ protein joining the cells in cyanobacterial trichomes // Mol. Microbiol. Vol. 79. P. 1077-1088.
53. Meeks J. C, 1998. Symbiosis between nitrogen-fixing cyanobacteria and plants // BioScience. Vol. 48. P. 266-276.
54. Meeks J. C, Campbell E. L., Summers M.L., Wong F. C, 2002. Cellular differentiation in the cyanobacterium Nostoc punctiforme // Arch. Microbiol. Vol. 178. P 395-403.
55. Meeks J. C., Elhai J., 2002. Regulation of cellular differentiation in filamentous cyanobacteria in free-living and plant-associated symbiotic growth states // Microbiol. Mol. Biol. Rev. Vol. 66. P. 94-121.
56. Mella-Herrera R.A., Neunuebel M. R, Golden J. W, 2011. Anabaena sp. strain PCC 7120 conR contains a LytR-CpsA-Psr domain, is developmentally regulated, and is essential for diazotrophic growth and heterocyst morphogenesis // Microbiology Vol. 157. P. 617-626.
57. Merino-Puerto V, Mariscal V, Schwarz H. et al., 2011. FraH is required for reorganization of intracellular membranes during heterocyst differentiation in Ana-baena sp. strain PCC 7120 // J. Bacteriol. Vol. 193. P. 6815-6823.
58. Merino-Puerto V., Schwarz H., Maldener I. et al., 2011. FraC / FraD-dependent intercellular molecular exchange in the filaments of a heterocyst-forming cyanobacterium, Anabaena sp // Mol. Microbiol. Vol. 82. P 87-98.
59. Moslavac S., Nicolaisen K, Mirus O. et al., 2007. A TolC-like protein is required for heterocyst development in Anabaena sp. strain PCC 7120 // J. Bacteriol. Vol. 189. P. 7887-7895.
60. Muro-PastorA.M., Hess W.R. 2012. Heterocyst differentiation: from single mutants to global approaches // Trends Microbiol. Vol. 20. Р. 548-557
61. NayarA.S., YamauraH., Rajagopalan R. et al., 2007. FraG is necessary for filament integrity and heterocyst maturation in the cyanobacterium Anabaena sp. strain PCC 7120 // Microbiology. Vol. 153. P. 601-607.
62. Olmedo-Verd E., Flores E., Herrero A., Muro-PastorA. M., 2005. HetR-dependent and -independent expression of heterocyst-related genes in an Anabae-na strain overproducing the NtcA transcription factor // J. Bacteriol. Vol. 187. P. 1985-1991.
63. Picossi S., Valladares A., FloresE. et al., 2004. Nitrogen-regulated genes for the metabolism of cyanophy-cin, a bacterial nitrogen reserve polymer: expression and mutational analysis of two cyanophycin synthetase and cyanophycinase gene clusters in heterocyst-forming cyanobacterium Anabaena sp. PCC 7120 // J. Biol. Chem. Vol. 279. P. 11582-11592.
64. Ramirez M. E., Hebbar P. B., Zhou R. et al., 2005. Anabaena sp. strain PCC 7120 gene devH is required for synthesis of the heterocyst glycolipid layer // J. Bacteriol. Vol. 187. P. 2326-2331.
65. Ran L., Larsson J., Vigil-Stenman T., et al. 2010. Genome erosion in a nitrogen-fixing vertically transmitted endosymbiotic multicellular cyanobacterium // PLoS One. Vol. 5. P. e11486.
66. Raven J. A. 2002. Evolution of cyanobacterial symbioses // Cyanobacteria in symbiosis / Eds. A. N. Rai et al., Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, The Netherlands. P. 329-346.
67. RippkaR., HerdmanM., 1992. Pasteur Culture Collection of Cyanobacterial Strains in Axenic Culture, Catalogue and Taxonomic Handbook // Catalog of strains, Institut Pasteur, Paris. P. 1-103.
68. Risser D. D., Callahan S. M., 2008. HetF and PatA control levels of HetR in Anabaena sp. strain PCC 7120 // J. Bacteriol. Vol. 190. P. 7645-7654.
69. Risser D. D., Wong F. C., Meeks J. C., 2012. Biased inheritance of the protein PatN frees vegetative cells to initiate patterned heterocyst differentiation // Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. Vol. 109. P. 15342-15347.
70. Risser R.D, Meeks J. C, 2012. Identification of a novel polysaccharide secretion system essential for gliding motility in Nostoc punctiforme // Abstr. XIV Intern. Symp. Phototr. Prokar., Porto, Portugal. P42.
71. Robinson B. L., Miller J. H, 1970. Photomorphogenesis in the blue-green alga Nostoc commune 584 // Physiol. Plantarum. Vol. 23. P. 461-472.
72. Sakr S., Jeanjean R., Zhang C.-C. et al., 2006. Inhibition of cell division suppresses heterocyst development in Anabaena sp. strain PCC 7120 // J. Bacteriol. Vol. 188. P. 1396-1404.
73. Shi L., Li J.H., Cheng Y. et al., 2007. Two genes encoding protein kinases of the HstK family are involved in synthesis of the minor heterocyst-specific glycolip-id in the cyanobacterium Anabaena sp. strain PCC 7120 // J. Bacteriol. Vol. 189. P. 5075-5081.
74. Simon R. D. 1971. Cyanophycin granules from the blue-green alga Anabaena cylindrica: A reserve material consisting of copolymers of aspartic acid and argin-ine // Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. Vol. 68. P 265-267.
75. Sukenik A., Kaplan-Levy R.N., Welch J.M. et al., 2012. Massive multiplication of genome and ribosomes in dormant cells (akinetes) of Aphanizomenon ovalispo-rum (Cyanobacteria) // ISME J. Vol. 6. P. 670-679.
76. Tandeau de Marsac N., 1994. Differentiation of hormogo-nia and relationships with other biological processes // The molecular biology of cyanobacteria / Ed. D. A. Bryant, Kluwer. Academic Publishers, Boston. P 825-842.
77. Thiel T., Wolk C.P., 1983. Metabolic activities of spores of Nostocspongiaeforme//J. Bacteriol. Vol.156. P369-374.
78. Thompson A. W., Foster R.A., Krupke A. et al., 2012. Unicellular cyanobacterium symbiotic with a single-celled eukaryotic alga // Science Vol. 337. P. 1546-1550.
79. Tripp H. J., Bench S. R., Turk K.A., 2010. Metabolic streamlining in an open-ocean nitrogen-fixing cyanobacterium // Nature Vol. 464. P. 90-94.
ОБРАЗОВАНИЕ В ОБЛАСТИ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ГЕНЕТИКИ
39
80. Valladares A., Herrero A., Pils D. et al., 2003. Cytochrome c oxidase genes required for nitrogenase activity and diazotrophic growth in Anabaena sp. PCC 7120 // Mol. Microbiol. Vol. 47. P. 1239-1249.
81. Valladares A., Maldener I., Muro-Pastor A. M. et al., 2007. Heterocyst development and diazotrophic metabolism in terminal respiratory oxidase mutants of the cyanobacterium Anabaena sp. strain PCC 7120 // J. Bacteriol. Vol. 189. P. 4425-4430.
82. Wang Y, Xu X., 2005. Regulation by hetC of genes required for heterocyst differentiation and cell division in Anabaena sp. strain PCC 7120 // J. Bacteriol. Vol. 187. P 8489-8493.
83. WilkL, StraussM, RudolfM. et al., 2011. Outer membrane continuity and septosome formation between vegetative cells in the filaments of Anabaena sp. PCC 7120 // Cell Microbiol. Vol. 13. P. 1744-1754.
84. Wolk C. P., Ernst A., Elhai J., 1994. Heterocyst metabolism and development // The molecular biology of cyanobacteria / Ed. D. A. Bryant, Kluwer Academic Publishers, Boston. P. 769-823.
85. Wong F. C. Y, Meeks J. C, 2002. Establishment of a functional symbiosis between the cyanobacterium Nostoc punctiforme and the bryophyte hornwort An-thocerospunctatus requires genes involved in nitrogen control and initiation of heterocyst differentiation // Microbiology Vol. 148. P. 315-323.
86. Wood S. A., Jentzsch K, Rueckert A. et al., 2009. Hindcasting cyanobacterial communities in Lake Okaro with germination experiments and genetic analyses // FEMS Microbiol. Ecol. Vol. 67. P. 252-260.
87. Wu X., Lee D. W., Mella R. A., Golden J. W., 2007. The Anabaena sp. strain PCC 7120 asrl734 gene encodes a negative regulator of heterocyst development // Mol. Microbiol. Vol. 64. P. 782-794.
88. Xu X., Elhai J., Wolk C. P., 2008. Transcriptional and developmental responses by Anabaena to deprivation of fixed nitrogen // The Cyanobacteria: Molecular Biology, Genomics and Evolution / Eds. Herrero A,, Flores E., Caister Academic Press, Norfolk. P 383-422.
89. Xu X., Khudyakov I., Wolk C. P., 1997. Lipopolysac-charide dependence of cyanophage sensitivity and aerobic nitrogen fixation in Anabaena sp. strain PCC 7120 // J. Bacteriol. Vol. 179. P. 2884-2891
90. XuX., Wolk C. P., 2001. Role for hetC in the transition to a nondividing state during heterocyst differentiation in Anabaena sp. // J. Bacteriol. Vol. 183. P. 393-396.
91. Yoon H-S, Golden J. W., 1998. Heterocyst pattern formation controlled by a diffusible peptide // Science. Vol. 282. P. 935-938.
C Информация об авторе
92. Zehr J. P., Bench S. R., Carter B. J. et al., 2008. Globally distributed uncultivated oceanic N2-fixing cyanobacteria lack oxygenic photosystem II // Science. Vol. 322. P. 1110-1112.
93. Zhang C. C., Laurent S., Sakr S. et al., 2006. Heterocyst differentiation and pattern formation in cyanobacteria: a chorus of signals // Mol. Microbiol. Vol. 59. P 367-375.
94. Zhang L. C., Chen Y. F., Chen W. L., Zhang C. C., 2008. Existence of periplasmic barriers preventing green fluorescent protein diffusion from cell to cell in the cy-anobacterium Anabaena sp. strain PCC 7120 // Mol. Microbiol. Vol. 70. P. 814-823.
95. Zhang W., Du Y., Khudyakov I. et al., 2007. A gene cluster that regulates both heterocyst differentiation and pattern formation in Anabaena sp. strain PCC 7120 // Mol. Microbiol. Vol. 66. P. 1429-1443.
96. Zhao M.X., Jiang Y.L., He Y.X. et al., 2010. Structural basis for the allosteric control of the global transcription factor NtcA by the nitrogen starvation signal 2-oxoglutarate // Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. Vol. 107. P 12487-12492
97. Zheng W., Bergman B., ChenB. et al., 2009. Cellular responses in the cyanobacterial symbiont during its vertical transfer between plant generations in the Azolla mi-crophylla symbiosis // New Phytol. Vol. 181. P. 53-61.
98. Zhou R., Wolk C. P., 2002. Identification of an akinete marker gene in Anabaena variabilis // J. Bacteriol. Vol. 184. P. 2529-2532.
99. Zhou R., Wolk C. P., 2003. A two-component system mediates developmental regulation of biosynthesis of a heterocyst polysaccharide // J. Biol. Chem. Vol. 278. P. 19939-19946.
100. Zhu J.,JägerK,Black T.etal.,2001.HcwA,anautolysin, is required for heterocyst maturation in Anabaena sp. strain PCC 7120 // J. Bacteriol. Vol. 183. P 6841-6851.
DEVELOPMENTAL GENETICS AND SYMBIOTIC POTENTIAL OF CYANOBACTERIA
Khudyakov I. Y.
C SUMMARY: Many cyanobacteria can differentiate specialized cells - heterocysts that fix nitrogen aerobically, akinetes able to survive under unfavorable conditions, and hormogonia providing a means of dispersal. Of great importance for evolution of the biosphere was the ability of cyanobacteria to establish symbioses with eukaryotic organisms that was a prerequisite for the emergence of chloroplasts. This review describes the genes and regulatory systems that control differentiation of specialized cells and the ability of cyanobacteria to establish symbiotic associations with a variety of hosts.
C KEY WORDS: cyanobacteria; cell differentiation; heterocyst; symbiosis.
Худяков Иван Яковлевич — к. б. н., лаборатория биологии ризосферы. Khudyakov Ivan Yakovlevich — PhD, Laboratory of Rhizospheric Biology ГНУ ВНИИСХМ. 196608, Санкт-Петербург, ш. Подбельского д. 3. ARRIAM. Podbelsky chausse, 3, Saint-Petersburg, 196608, Russia. E-mail: [email protected]. E-mail: [email protected].
