Введение

Род археи Sulfolobus — род микроорганизмов из семейства Sulfolobaceae. Он относится к домену Архея. Виды Sulfolobus растут в вулканических источниках, при оптимальном росте при pH 2–3 и температуре 75–80 °C, что делает их ацидофилами и термофилами соответственно. Клетки Sulfolobus имеют неправильную форму и покрыты жгутиками. Виды Sulfolobus обычно называют по месту их первоначальной изоляции, например, Sulfolobus solfataricus был впервые выделен из вулкана Солфатара. Другие виды можно встретить по всему миру в районах вулканической или геотермальной активности, таких как геологические образования, известные как грязевые котлы, которые также называются сольфатарами (множественное число от сольфатара).

Сульфолобус как модель для изучения молекулярных механизмов репликации ДНК

Когда первый археальный геном, Methanococcus jannaschii, был полностью секвенирован в 1996 году, было обнаружено, что гены в геноме Methanococcus jannaschii, участвующие в репликации, транскрипции и трансляции ДНК, имеют большее сходство с их аналогами у эукариот, чем с генами других прокариот. В 2001 году была опубликована первая последовательность генома Sulfolobus, а именно Sulfolobus solfataricus P2. В геноме P2 гены, связанные с репликацией хромосом, также оказались более близкими к генам эукариот. К этим генам относятся ДНК-полимераза, примаза (включая две субъединицы), MCM, CDC6/ORC1, RPA, RPC и PCNA. В 2004 году были идентифицированы начала репликации ДНК у Sulfolobus solfataricus и Sulfolobus acidocaldarius. Было показано, что оба вида содержат два начала репликации в своем геноме. Это было первым случаем, когда было продемонстрировано использование более чем одного начала репликации ДНК в прокариотической клетке. Механизм репликации ДНК у архей эволюционно сохранен и аналогичен таковому у эукариот. В настоящее время сульфолобус используется в качестве модели для изучения молекулярных механизмов репликации ДНК у архей. И поскольку система репликации ДНК у архей значительно проще, чем у эукариот, было предложено использовать археи в качестве модели для изучения гораздо более сложной репликации ДНК у эукариот.

Роль в биотехнологии

Белки сульфолобуса представляют интерес для биотехнологии и промышленного использования благодаря их термостабильности. Одним из применений является создание искусственных производных из белков S. acidocaldarius, называемых аффитинами. Однако внутриклеточные белки не обязательно стабильны при низкой кислотности, поскольку виды Sulfolobus поддерживают значительный градиент pH через наружную мембрану. Сульфолабиальные археи метаболически зависимы от серы: гетеротрофные или автотрофные, они получают энергию от окисления серы и/или клеточного дыхания, в котором сера выступает в качестве конечного акцептора электронов. Например, S. tokodaii окисляет сероводород до сульфата внутри клеток.

Статус генома

Полные геномы были секвенированы для S. acidocaldarius DSM 639 (2 225 959 нуклеотидов), S. solfataricus P2 (2 992 245 нуклеотидов) и S. tokodaii str. 7 (2 694 756 нуклеотидов).

Структура генома

Археон Sulfolobus solfataricus имеет кольцевую хромосому, состоящую из 2 992 245 пар оснований. Другой секвенированный вид, S. tokodaii, также имеет кольцевую хромосому, но несколько меньше – 2 694 756 пар оснований. Обоим видам не хватает генов ftsZ и minD, что характерно для секвенированных Crenarchaeota. Они также кодируют цитратсинтазу и две субъединицы 2-оксокислоты: ферредоксиноксидоредуктазы, выполняющей ту же функцию, что и альфа-кетоглутаратдегидрогеназа в цикле ТСА (трикарбоновой/кребсовой/лимонной кислоты). Это указывает на то, что у Sulfolobus система цикла ТСА, аналогичная системе, обнаруженной в митохондриях эукариот. Другие гены дыхательной цепи, участвующие в производстве АТФ, не были сходны с таковыми у эукариот. Цитохром c является одним из примеров, играющим важную роль в переносе электронов к кислороду у эукариот. Это также было обнаружено у A. pernix K1. Поскольку этот этап важен для аэробного микроорганизма, такого как Sulfolobus, он, вероятно, использует другую молекулу для выполнения той же функции или обладает альтернативным путем.

Структура клеток и метаболизм

Сульфолобус может расти либо литоавтотрофно, окисляя серу, либо химиогетеротрофно, используя серу для окисления простых восстановленных углеродных соединений. Однако гетеротрофный рост наблюдался только в присутствии кислорода. Основными метаболическими путями являются гликолитический путь, пентозофосфатный путь и цикл ТСА. Все археи имеют липиды с эфирными связями между головной группой и боковыми цепями, что делает липиды более устойчивыми к нагреванию и кислотности, чем бактериальные и эукариотические липиды, связанные сложноэфирной связью. Сульфолабулы известны своими необычными тетраэфирными липидами. У сульфолабулов эфирные липиды ковалентно соединены через всю мембрану, образуя тетраэфиры. Технически, следовательно, тетраэфиры формируют монослой, а не бислой. Тетраэфиры помогают видам *Sulfolobus* выживать в экстремально кислых условиях, а также при высоких температурах.

Экология

S. solfataricus был обнаружен в различных регионах, включая Йеллоустонский национальный парк, гору Сент-Хеленс, Исландию, Италию и Россию, среди прочих. Сульфолобус встречается практически везде, где наблюдается вулканическая активность. Он процветает в средах с температурой около 80 °C, pH около 3 и наличием серы. Другой вид, S. tokodaii, был найден в кислотном термальном источнике в горячих источниках Беппу, Кюсю, Япония. В отложениях с глубины около 90 м под морским дном на перуанском континентальном шельфе преобладают неповрежденные археальные тетраэфиры, а значительная часть сообщества представлена осадoчными археями, таксономически связанными с кренархеальными Sulfolobales (Sturt, et al., 2004).

Реакция на повреждение ДНК

Воздействие на Sulfolobus solfataricus или Sulfolobus acidocaldarius повреждающих ДНК агентов – УФ-излучения, блеомицина или митомицина C – вызывало клеточную агрегацию. Другие физические стрессоры, такие как изменение pH или температуры, не индуцировали агрегацию, что указывает на то, что индукция агрегации обусловлена именно повреждением ДНК. Также было показано, что УФ-излучение повышало частоту рекомбинации в результате генетического обмена у S. acidocaldarius. Фрольс и др. и Ajon и др.

Оператор "высоты"

Оперон *ups* у видов *Sulfolobus* сильно индуцируется УФ-излучением. Пили, кодируемые этим опероном, способствуют клеточной агрегации, необходимой для последующего обмена ДНК между клетками, что приводит к гомологичной рекомбинации. Исследование оперона *ups* у *Sulfolobales acidocaldarius* показало, что один из генов оперона, *saci 1497*, кодирует эндонуклеазу III, разрезающую поврежденную УФ-излучением ДНК, а другой ген оперона, *saci 1500*, кодирует RecQ-подобную геликазу, способную раскручивать промежуточные структуры гомологичной рекомбинации, такие как соединения Холлидея. Предполагается, что Saci 1497 и Saci 1500 функционируют в механизме восстановления ДНК на основе гомологичной рекомбинации, использующем перенесенную ДНК в качестве матрицы. Таким образом, считается, что система *ups* в сочетании с гомологичной рекомбинацией обеспечивает ответ на повреждение ДНК, защищающий *Sulfolobales* от угроз, вызывающих повреждение ДНК.

Сульфолобус как вирусный хозяин

Лизогенные вирусы заражают Sulfolobus для защиты. Вирусы не могут выжить в экстремально кислых и горячих условиях, в которых обитает Sulfolobus, и поэтому используют Sulfolobus как защиту от неблагоприятных факторов окружающей среды. Эта взаимосвязь позволяет вирусу реплицироваться внутри археи, не будучи уничтоженным внешней средой. Вирусы Sulfolobus являются умеренными или постоянными лизогенами. Постоянные лизогены отличаются от лизогенных бактериофагов тем, что клетки-хозяева не лизируются после индукции продукции Fuselloviridae и в конечном итоге возвращаются в лизогенное состояние. Они также уникальны тем, что гены, кодирующие структурные белки вируса, постоянно транскрибируются, и, по-видимому, происходит индукция репликации ДНК. Вирусы, инфицирующие археи, такие как Sulfolobus, должны использовать стратегию, чтобы избежать длительного прямого воздействия среды обитания хозяина, что может объяснять некоторые из их уникальных особенностей.