Герасимова А.В., Равчеев Д.А., Гельфанд М.С., Рахманинова...

Герасимова А.В., Равчеев Д.А., Гельфанд М.С., Рахманинова А.Б.

Регуляция анаэробного дыхания Регуляция анаэробного дыхания бактерий. Анализ методами бактерий. Анализ методами сравнительной геномики.сравнительной геномики.

Московский Государственный Университет им. М.В. Ломоносова,Факультет Биоинженерии и Биоинформатики

Институт Проблем Передачи Информации

Поиск регуляторных сайтов

Поиск по консенсусу

ctaTACTCATATATTGGTAtactgtTACTCATTTATGGGTAagtactTACCTATATAGGGGTAatctacTACCCCTATATGAGTAatgtggTACTCATATAGGGGTActgatgTACCCATATATGAGTAtcaagcTACCTATATATAGGTAgaa

. . .

TAC T A GTA

Обучающаявыборка

Консеснусная последовательность

ССA AT TGGTTC TA GAA

Найденный сайт :

ctacattaagatcgcttcactaaaccaTAaTTCTAcAGGGGTttattatgcggaaactctggaacgcg Вес сайта = 13/16

Поиск регуляторных сайтовМатрицы весов

TACTCATATATTGGTATACTCATTTATGGGTATACCTATATAGGGGTATACCCCTATATGAGTATACTCATATAGGGGTATACCCATATATGAGTATACCTATATATAGGTA

Обучающаявыборка

Найденный сайт :

ctacattaagatcgcttcactaaaccaTAATTCTACAGGGGTTtattatgcggaaactctggaacgcg Вес сайта = 3.91

Вес каждого нуклеотида для каждой позиции:

Позиция a c g t 1 -0.25 0.06 -0.25 0.44 2 0.38 -0.08 -0.31 0.00 3 0.17 0.33 -0.17 -0.33 4 -0.16 0.36 -0.32 0.13 5 0.07 0.10 -0.40 0.23 6 0.07 0.30 -0.37 0.00

Позиция a c g t 1 -0.25 0.06 -0.25 0.44 2 0.38 -0.08 -0.31 0.00 3 0.17 0.33 -0.17 -0.33 4 -0.16 0.36 -0.32 0.13 5 0.07 0.10 -0.40 0.23 6 0.07 0.30 -0.37 0.00

Матрица весов

Диаграмма Logo –графическое отображение матрицы

Сравнительный подход к изучению регуляции

Метод генетического футпринтинга

Геном 1сайтсайт

Геном 2

Геном 3

Геном 4

нет сайта !

Вывод: ген находится под регуляцией.

Сравнительный подход к изучению регуляции

Метод генетического футпринтинга

Геном 1сайтсайт

Вывод: ген не регулируется данной регуляторной системой.

Геном 2

Геном 3

Геном 4

нет сайта !

нет сайта !

нет сайта !

Сравнительный подход к изучению регуляции

Метод генетического футпринтинга

Геном 1сайтсайт

Вывод: ? ? ?

Геном 2

Геном 3

Геном 4

нет сайта !

нет ГЕНА !

нет ГЕНА !

Строение дыхательной цепи бактерий

Модуль 1Дегидрогеназный комплекс

Модуль 3Редуктазный комплекс

Модуль 2Хиноны

Донорыэлектронов Дегидрогеназы Хиноны Редуктазы

Акцепторыэлектронов

Многообразие дыхательных цепей бактерийна примере Escherichia coli

Регуляция различных типов дыхания в Escherichia coli

• FNRFNR – активация анаэробного и репрессия аэробного дыхания • ArcAArcA – активация аэробного метаболизма в ответ

на присутствие кислорода

• NarLNarL и NarPNarP – регуляция нитратного и нитритного дыхания и репрессия других видов анаэробного дыхания

• Все три белка могут быть как активаторами,так и репрессорами

Регуляция с помощью белка FNRFNR

O2 O2

Регуляция с помощью белка ArcAArcA

O2 O2

Регуляция с помощью белков NarL NarL ии NarP NarP

NO3 NO3

Ответ на нитрат и нитрит в Escherichia coli

ctgTACCCATTACCCATaaaaactaATGGGTAATGGGTAtcaaTACCCATTACCCATctgaaaaactacTACCCATTACCCATgactgaaaaaTACCCATTACCCATctaatccctatg

. . . . . . . . . .

actgaaaTACCCATTACCCATaaATGGGTAATGGGTAtaatc

Эффектор :

Сенсор :

Регулятор :

Сайт :

Сайт связывания белка FNRFNR

инвертированный повтор

Gerasimova A.V., Rodionov D.A., Mironov A.A, Gelfand M.S. (2001) Computer analysis of regulatory signals in bacterial genomes. Fnr binding segments.Molecular Biology, 35, 1001-1009.

Ссылка :

Сайт связывания белка ArcAArcA

1.1. Gerasimova A.V., Gelfand M.S., Makeev V.U., Mironov A.A., Favorov A.V. (2004) ArcA regulator of gamma-proteobacteria: identification of the binding signal and description of the regulon. Biophysics [in press]

Ссылки :

Получен с помощью программы SeSiMCMC

2.2. http://favorov.hole.ru/gibbslfm/

Филогенетическое дерево белков NarL NarL ии NarP NarP

NarL

NarP

Филогенетическое дерево белков NarL NarL ии NarP NarP

NarL

NarP

Сайт связывания белка NarPNarP

Ген narPnarP всегда представлен вместе с генами :

• narQ• napFDAGHBC• nrfABCDEFG• ccmABCDEF-dsbE-ccmH

– сенсорный белок– периплазматическая нитрат-редуктаза– периплазматическая нитрит-редуктаза– экспорт гема в периплазму

палиндром

Гамма-протеобактерии, содержащие только NarPNarP

Семейство Enterobacteriaceae

Семейство Pasteurellaceae

Семейство Vibrionaceae

Результаты работы

Авторегуляция и регуляторные каскады

Escherichia coli

Результаты работы

Авторегуляция и регуляторные каскады

Yersinia pestis, Yersinia entercolitica

Результаты работы

Авторегуляция и регуляторные каскады

Haemophilus influenzae, Pasteurella multocida, Actinobacillus actinomycetemcomitans

Результаты работы

Авторегуляция и регуляторные каскады

Haemophilus ducreyi, Vibrio fischeri, Vibrio cholerae,Vibrio vulnificus, Vibrio parahaemolyticus

NarP - регулон

Результаты работы

1. Включает все гены, регулируемые в Escherichia coli двойной системой NarL + NarP2. Ядро регулона :

Новые члены регулонов

Результаты работы

FNR, ArcA, NarPYersinia pestis, Haemophilus influenzae, Actinobacillus actinomycetemcomitans, Haemophilus ducreyi, Vibrio cholerae, Vibrio vulnificus, Vibrioparahaemolyticus, Vibrio fischeri

FNR, ArcA

Pasteurella multocida

Yersinia entercolitica

FNR

Новые члены регулонов

Результаты работы

Escherichia coli Рассмотренные геномы

Yersinia pestis FnrFnr ArcAArcA ——Yersinia entercolitica FnrFnr —— — —Pasteurella multocida FnrFnr ArcAArcA NarPNarPActinobacillus actinomycetemcomitans —— ArcAArcA NarPNarP Haemophilus influenzae FnrFnr ArcAArcA —— Haemophilus ducreyi FnrFnr ArcAArcA NarPNarPVibrio vulnificus —— ArcAArcA ——Vibrio parahaemolyticus —— ArcAArcA ——Vibrio cholerae FnrFnr ArcAArcA ——Vibrio fischeri —— ArcAArcA ——

ГомологииНЕТ !

Новые члены регулонов

Результаты работы

Оперон синтеза молибден-содержащего кофактора

Yersinia pestis FnrFnr —— — —Yersinia entercolitica FnrFnr ArcAArcA — —Pasteurella multocida FnrFnr ArcAArcA ——Actinobacillus actinomycetemcomitans FnrFnr —— NarPNarP Haemophilus influenzae FnrFnr —— NarPNarP Haemophilus ducreyi FnrFnr ArcAArcA NarPNarP Vibrio vulnificus —— —— NarPNarP Vibrio parahaemolyticus —— —— NarPNarP Vibrio cholerae —— —— NarPNarP Vibrio fischeri —— ArcAArcA NarPNarP

Выводы

1. Впервые проведено комплексное исследование регуляторных систем, различных по структуре, но контролирующих близкие биологические процессы.

2. Разработана и реализована методика выявления семейство-специфичной регуляции.

3. Созданы распознающие правила для поиска сайтов связывания белков ArcA и NarP.

4. Найдены новые потенциальные члены рассмотренных регулонов.

5. Предсказан ряд регуляторных каскадов, показано изменение иерархии регуляторов в ходе эволюции.

Благодарности

Работа выполнена под руководством Рахманиновой А.Б и Гельфанда М.С.

В работе было использовано программное обеспечение, разработанное и любезно предоставленное Мироновым А.А. и Фаворовым А.В.

Мы благодарны Родионову Д.А. за полезное обсуждение.