Гены nif — это гены, кодирующие ферменты, участвующие в фиксации атмосферного азота в форму азота , доступную живым организмам. Основным ферментом, кодируемым генами nif , является комплекс нитрогеназы , который отвечает за преобразование атмосферного азота (N 2 ) в другие формы азота, такие как аммиак , которые организм может использовать для различных целей. Помимо фермента нитрогеназы, гены nif также кодируют ряд регуляторных белков, участвующих в фиксации азота. Гены nif обнаружены как у свободноживущих азотфиксирующих бактерий, так и у симбиотических бактерий, связанных с различными растениями. Экспрессия генов nif индуцируется в ответ на низкие концентрации фиксированного азота и концентрации кислорода (низкие концентрации кислорода активно поддерживаются в корневой среде растений-хозяев). Первые гены Rhizobium для фиксации азота (nif) и образования клубеньков (nod) были клонированы в начале 1980-х годов Гэри Рувкуном и Шэрон Р. Лонг в лаборатории Фредерика М. Аузеля . [1]
У большинства бактерий регуляция транскрипции генов nif осуществляется чувствительным к азоту белком NifA. Когда для использования организмом недостаточно фиксированного азота, NtrC запускает экспрессию NifA, а NifA активирует остальные гены nif . Если имеется достаточное количество восстановленного азота или кислорода, активируется другой белок: NifL. NifL ингибирует активность NifA, что приводит к ингибированию образования нитрогеназы. NifL регулируется продуктами glnD и glnK . Гены nif можно найти на бактериальных хромосомах , но у симбиотических бактерий они часто находятся на плазмидах или островах симбиоза с другими генами, связанными с фиксацией азота (например, генами nod ).
Экспрессия и регуляция генов nif , хотя и имеют общие черты во всех или большинстве азотфиксирующих организмов в природе, имеют различные характеристики и качества, которые отличаются от одного диазотрофа к другому. Примеры структуры и регуляции генов nif у разных диазотрофов включают:
Klebsiella pneumoniae — свободноживущая анаэробная азотфиксирующая бактерия. Она содержит в общей сложности 20 генов nif , расположенных на хромосоме в области 24 Кб. nifH , nifD , и nifK кодируют субъединицы нитрогеназы, в то время как nifE , nifN , nifU , nifS , nifV , nifW , nifX , nifB , и nifQ кодируют белки, участвующие в сборке и включении атомов железа и молибдена в субъединицы нитрогеназы. nifF и nifJ кодируют белки, связанные с переносом электронов, происходящим в процессе восстановления, а nifA и nifL являются регуляторными белками, отвечающими за регулирование экспрессии других генов nif . [2] [3]
Rhodospirillum rubrum — свободно живущая анаэробная фотосинтетическая бактерия, которая, в дополнение к транскрипционному контролю, описанному выше, регулирует экспрессию генов nif также метаболическим путем через обратимое АДФ-рибозилирование определенного остатка аргинина в комплексе нитрогеназы. Рибозилирование происходит при наличии восстановленного азота и создает барьер в потоке переноса электронов и тем самым инактивирует активность нитрогеназы. Ферменты, катализирующие рибозилирование, называются DraG и DraT. [3] [4]
Rhodobacter capsulatus — свободноживущий анаэробный фототроф, содержащийсистему регуляции транскрипционного гена nif . R. capsulatus регулирует экспрессию гена nif через nifA таким же образом, как описано ранее, но использует другой активатор nifA , который инициирует NtrC. NtrC активирует другую экспрессию nifA и других генов nif . [3] [4]
Rhizobium spp. — грамотрицательные симбиотические азотфиксирующие бактерии, которые обычно образуют симбиотические отношения с бобовыми видами. У некоторых ризобий гены nif расположены на плазмидах, называемых «сим-плазмидами» (sym = симбиоз), которые содержат гены, связанные с фиксацией азота и метаболизмом, в то время как хромосомы содержат большинство генов домашнего хозяйства бактерий. Регулирование генов nif происходит на уровне транскрипции и зависит от колонизации растения-хозяина. [3] [4]