Сравнительная геномика и

функциональная аннотация генов и

геномов

24.III.2009, ИМБ

М.С.Гельфанд

Экспоненциальный рост объема данных

красный – статьи (PubMed)синий – последовательности (GenBank)зеленый – объем в нуклеотидах

(GenBank)

100

1000

10000

100000

1000000

10000000

100000000

1000000000

10000000000

100000000000

1982 1987 1992 1997 2002 2007

из 18 миллионов ссылок, ~675 тыс. отвечают на “bioinformat* OR comput*”16 тыс. “bioinformat*”65 тыс. “bioinformat* OR computat*”

622 полных генома (прокариот)

3 3 6 6 719 25 30

4866

81

142

186

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007

Цель аннотации

• Что– функция

• Когда– Регуляция

• Экспрессии• Время жизни

• Где– Локализация

• Внутри/снаружи• Органеллы и компартменты

• Как– Механизм

• Специфичность, регуляция

Поиск похожих последовательностей

с известными функциями

Characterizedexperimentally

“Hypothetical”

Function inferredby similarity only

“Conserved hypothetical”

How much do we know about the Escherichia coli proteome?

Перепредсказания

SOURCE Methanococcus jannaschii. ORGANISM Methanococcus jannaschii Archaea; Euryarchaeota; Methanococcales; Methanococcaceae; Methanococcus.

FEATURES Location/Qualifiers source 1..492 /organism="Methanococcus jannaschii" /db_xref="taxon:2190" Protein 1..492

/product="sodium-dependent noradrenaline transporter" CDS 1..492 /gene="MJ1319" /note="similar to EGAD:HI0736 percent identity: 38.5;

identified by sequence similarity; putative" /coded_by="U67572:71..1549" /transl_table=11

Now corrected: Hypothetical sodium-dependent transporter MJ1319.

Анекдоты

• C75604: Probable head morphogenesis protein,Deinococcus radiodurans

• Q8TID9: Benzodiazepine (valium) receptor TspO,Methanosarcina acetivorans

• NP_069403: DR-beta chain MHC class II,Archaeoglobus fulgidus

Ошибки в экспериментальных статьях

SwissProt:

DEFINITION Hypothetical 43.6 kDa protein.ACCESSION P48012

...

KEYWORDS Hypothetical protein.

SOURCE Debaryomyces occidentalis

ORGANISM Debaryomyces occidentalis

Eukaryota; Fungi; Ascomycota; Saccharomycotina; Saccharomycetes;

Saccharomycetales; Saccharomycetaceae; Debaryomyces.

[CAUTION] Was originally (Ref.1) thought to be 3-isopropylmalate dehydrogenase (LEU2).

PIR:DEFINITION 3-isopropylmalate dehydrogenase (EC 1.1.1.85)

- yeast(Schwanniomyces occidentalis).

ACCESSION S55845

KEYWORDS oxidoreductase.

SwissProt: DSDX_ECOLI

-!- CAUTION: An ORF called dsdC was originally (Ref.3) assigned to the wrong DNA strand and thought to be a D-serine deaminase activator, it was then resequenced by Ref.2 and still thought to be "dsdC", but this time to function as a D-serine permease. It is Ref.1 that showed that dsdC is another gene and that this sequence should be called dsdX. It should also be noted that the C-terminal part of dsdX (from 338 onward) was also sequenced (Ref.6 and Ref.7) and was thought to be a separate ORF (don't worry, we also had difficulties understanding what happened!).

SwissProt: DSDX_ECOLI

-!- CAUTION: An ORF called dsdC was originally (Ref.3) assigned to the wrong DNA strand and thought to be a D-serine deaminase activator, it was then resequenced by Ref.2 and still thought to be "dsdC", but this time to function as a D-serine permease. It is Ref.1 that showed that dsdC is another gene and that this sequence should be called dsdX. It should also be noted that the C-terminal part of dsdX (from 338 onward) was also sequenced (Ref.6 and Ref.7) and was thought to be a separate ORF (don't worry, we also had difficulties understanding what happened!).

Другие источники информации (для предсказания чего-то нового)

• Много геномов => можем использовать слабые соображения:– Ко-локализация (в геноме):

позиционные кластеры– Ко-локализация (геномах):

филогенетические паттерны

• «Омики»:– Транскриптомика– Протеомика– Интерактомика

STRING: trpB –

позицион-ные

кластеры

STRING: trpB –

филогене-

тические паттерны

STRING: trpB summary

Новый универсальный фактор транскрипции

Консервативный мотив перед генами рибонуклеотид-редуктаз (nrd) в бактериальных

геномах

Идентификация фактора транскрипции

• Филогенетический паттерн: список геномов, в которых присутствует/отсутствует обнаруженный сигнал=> единственный ген с таким паттерном – ybaD (COG1327)– “макроуровень” – большие таксоны– “микроуровень” – в «смешанных» таксонах:

• отсутствует в геномах паразитов в группах альфа- и гамма-протеобактерий

• отсутствует в Desulfovibrio spp. среди дельта-протеобактерий

• отсутствует в Nostoc sp. среди цианобактерий• отсутствует в Oenococcus и Leuconostoc среди Firmicutes• присутствует только в Treponema denticola среди

четырех спирохет

• COG1327: Гипотетический регулятор транскрипции, содержащий домены цинковая лента (ДНК- и РНК-связывающий) и АТФ-конус

Bork, Koonin:YbaD=RibX, регулятор биосинтеза рибофлавина?

Состав регулона

• ген nrdR иногда образует (потенциальные) опероны с генами nrd genes или с генами репликации dnaB, dnaI, polA

• потенциальные сайты связывания NrdR обнаружены перед другими генами, связанными с репликацией:– топоизомераза I– инициатор репликации dnaA– разделение (partitioning)

хромосом– ДНК-хеликаза II

– ре-утилизация (salvage) dNTP

dNTP

DNA RNA

dNDP NDP

dNM P NM P

NMP/dNMP kinase

dN kinase

PnuC-liketransporter

NDP/dNDP kinase

dN

dN

N

NTPRNR

Множественные сайты (гены nrd): FNR, DnaA, NrdR

Механизм регуляции

• репрессор – сайты перекрываются с промоторами

• кооперативное связывание:– >90% генов имеет парные сайты– расстояние между сайтами (центрами

палиндромов) равно целому числу витков спирали ДНК

• как правило (94%) 30-33 пн, в 84% случаев 31-32 пн – 3 витка

• в Vibrio spp. 21 пн (2 витка) • в некоторых фирмикутах 41-42 пн (4 витка)

Экспериментальное подтверждение

Транспортеры

• Два основных класса– АТФ-зависимые

• Трансмембранный белок (пермеаза)

• АТФаза• Субстрат-связывающий

(периплазматический) белок– Вторичные (симпортеры,

антипортеры)

• Сложный эксперимент (по сравнению с ферментами)

• Относительно легко идентифицировать

• Сложно предсказать специфичность

H+

Разнообразие специфичностей в семействе транспортеров никеля и

олигопептидов (субстрат-связывающий белок NikA)

Семейство транспортеров кофакторов PnuC

Функциональный анализ транспортеров

• Предсказание общей функции– гомология (сходство с известными

транспортерами)– анализ трансмембранных сегментов

• Отнесение к функциональной подсистеме (метаболическому пути)– ко-локализация– ко-регуляция

• Предсказание специфичности– анализ филогенетического профиля

• конечный продукт биосинтетического пути: присутствует в геномах, не имеющих пути (импорт заменяет биосинтез)

• промежуточный продукт биосинтетического пути; может заменять часть пути «выше по течению»

• исходный продукт катаболического или биосинтетического пути: не встречается в геномах, где этот путь отсутствует

Биосинтез рибофлавина

ribAribA

ribA ribB

G TP cyclohydrolase II

ribD

ribD

ribG

ribG

P yrim id ine deam inase

3,4-D HB P synthase P yrim id ine reductase

ribHribH R ibo flavin synthase, -cha in

ribEribB

ypaA

R ibo flavin synthase, -chain

GTP

2,5-diam ino-6-hydroxy-4-(5`-phosphoribosylamino)pyrim idine

ribulose-5-phosphate

PENTOSE-PHOSPHATE PATHWAY

PU RINE BIO SYNTHESIS PATHWAY

3,4-dihydroxy-2-butanone-4-phosphate 5-am ino-6-(5`-phosphoribitylam ino)uracil

5-am ino-6-(5`-phosphoribosylamino)uracil

6,7-dimethyl-8-ribityllumazine

Riboflavin

5’-области генов синтеза рибофлавина 1 2 2’ 3 Add. 3’ Variable 4 4’ 5 5’ 1’

=========> ==> <== ===> -><- <=== -> <- ====> <==== ==> <== <========= BS TTGTATCTTCGGGG-CAGGGTGGAAATCCCGACCGGCGGT 21 AGCCCGTGAC-- 8 4 8 -----TGGATTCAGTTTAA-GCTGAAGCCGACAGTGAA-AGTCTGGAT-GGGAGAAGGATGAT BQ AGCATCCTTCGGGG-TCGGGTGAAATTCCCAACCGGCGGT 19 AGTCCGTGAC-- 8 5 8 -----TGGATCTAGTGAAACTCTAGGGCCGACAGT-AT-AGTCTGGAT-GGGAGAAGGATATG BE TGCATCCTTCGGGG-CAGGGTGAAATTCCCGACCGGCGGT 20 AGCCCGCGA--- 3 4 3 -----AGGATCCGGTGCGATTCCGGAGCCGACAGT-AT-AGTCTGGAT-GGGAGAAGGATGCC HD TTTATCCTTCGGGG-CTGGGTGGAAATCCCGACCGGCGGT 19 AGTCCGTGAC-- 10 4 10 ----–TGGACCTGGTGAAAATCCGGGACCGACAGTGAA-AGTCTGGAT-GGGAGAAGGAAACG Bam TGTATCCTTCGGGG-CTGGGTGAAAATCCCGACCGGCGGT 23 AGCCCGTGAC-- 8 4 8 ----–TGGATTCAGTGAAAAGCTGAAGCCGACAGTGAA-AGTCTGGAT-GGGAGAAGGATGAG CA GATGTTCTTCAGGG-ATGGGTGAAATTCCCAATCGGCGGT 2 AGCCCGCAA--- 3 4 3 ------AGATCCGGTTAAACTCCGGGGCCGACAGTTAA-AGTCTGGAT-GAAAGAAGAAATAG DF CTTAATCTTCGGGG-TAGGGTGAAATTCCCAATCGGCGGT 2 AGCCCGCG---- 7 6 7 --------ATTTGGTTAAATTCCAAAGCCGACAGT-AA-AGTCTGGAT-GGAAGAAGATATTT SA TAATTCTTTCGGGG-CAGGGTGAAATTCCCAACCGGCAGT 6 AGCCTGCGAC-- 11 3 11 ----–CTGATCTAGTGAGATTCTAGAGCCGACAGTTAA-AGTCTGGAT-GGGAGAAAGAATGT LLX ATAAATCTTCAGGG-CAGGGTGTAATTCCCTACCGGCGGT 2 AGCCCGCGA--- 4 4 4 -----ATGATTCGGTGAAACTCCGAGGCCGACAGT-AT-AGTCTGGAT-GAAAGAAGATAATA PN AACTATCTTCAGGG-CAGGGTGAAATTCCCTACCGGTGGT 2 AGCCCACGA--- 3 4 3 -----ATGATTTGGTGAAATTCCAAAGCCGACAGT-AT-AGTCTGGAT-GAAAGAAGATAAAA TM AAACGCTCTCGGGG-CAGGGTGGAATTCCCGACCGGCGGT 3 AGCCCGCGAG-- 5 4 5 ----–TTGACCCGGTGGAATTCCGGGGCCGACGGTGAA-AGTCCGGAT-GGGAGAGAGCGTGA DR GACCTCTTTCGGGG-CGGGGCGAAATTCCCCACCGGCGGT 15 AGCCCGCGAA-- 8 12 9 ----–CCGATGCCGCGCAACTCGGCAGCCGACGGTCAC-AGTCCGGAC-GAAAGAAGGAGGAG TQ CACCTCCTTCGGGG-CGGGGTGGAAGTCCCCACCGGCGGT 3 AGCCCGCGAA-- 5 4 5 -----CCGACCCGGTGGAATTCCGGGGCCGACGGTGAA-AGTCCGGAT-GGGAGAAGGAGGGC AO AATAATCTTCAGGG-CAGGGTGAAATTCCCGATCGGCGGT 2 AGTCCGCGA--- 7 7 7 -----AGGAACCGGTGAGATTCCGGTACCGACAGT-AT-AGTCTGGAT-GGAAGAAGATGAAA DU TTTAATCTTCAGGG-CAGGGTGAAATTCCCGATCGGTGGT 2 AGTCCGCGA--- 13 4 12 -----AGGAACTAGTGAAATTCTAGTACCGACAGT-AT-AGTCTGGAT-GGAAGAAGAGCAGA CAU GAAGACCTTCGGGG-CAAGGTGAAATTCCTGATCGGCGGT 20 AGCCCGCGA--- 3 4 3 -----AGGACCCGGTGTGATTCCGGGGCCGACGGT-AT-AGTCCGGAT-GGGAGAAGGTCGGC FN TAAAGTCTTCAGGG-CAGGGTGAAATTCCCGACCGGTGGT 2 AGTCCACG---- 5 4 5 -------GATTTGGTGAAATTCCAAAACCGACAGT-AG-AGTCTGGAT-GGGAGAAGAATTAG TFU ACGCGTGCTCCGGG-GTCGGTGAAAGTCCGAACCGGCGGT 3 AGTCCGCGAC-- 8 5 8 -----TGGAACCGGTGAAACTCCGGTACCGACGGTGAA-AGTCCGGAT-GGGAGGTAGTACGTG SX -AGCGCACTCCGGG-GTCGGTGAAAGTCCGAACCGGCGGT 3 AGTCCGCGAC-- 8 5 8 -----TTGACCAGGTGAAATTCCTGGACCGACGGTTAA-AGTCCGGAT-GGGAGGCAGTGCGCG BU GTGCGTCTTCAGGG-CGGGGTGAAATTCCCCACCGGCGGT 30 AGCCCGCGAGCG 137 GTCAGCAGATCTGGTGAGAAGCCAGAGCCGACGGTTAG-AGTCCGGAT-GGAAGAAGATGTGC BPS GTGCGTCTTCAGGG-CGGGGCGAAATTCCCCACCGGCGGT 21 AGCCCGCGAGCG 8 4 8 GTCAGCAGATCTGGTCCGATGCCAGAGCCGACGGTCAT-AGTCCGGAT-GAAAGAAGATGTGC REU TTACGTCTTCAGGG-CGGGGTGCAATTCCCCACCGGCGGT 31 AGCCCGCGAGCG 7 5 7 GTCAGCAGATCTGGTGAGAGGCCAGGGCCGACGGTTAA-AGTCCGGAT-GAAAGAAGATGGGC RSO GTACGTCTTCAGGG-CGGGGTGGAATTCCCCACCGGCGGT 21 AGCCCGCGAGCG 11 3 11 GTCAGCAGATCCGGTGAGATGCCGGGGCCGACGGTCAG-AGTCCGGAT-GGAAGAAGATGTGC EC GCTTATTCTCAGGG-CGGGGCGAAATTCCCCACCGGCGGT 17 AGCCCGCGAGCG 8 4 8 GACAGCAGATCCGGTGTAATTCCGGGGCCGACGGTTAG-AGTCCGGAT-GGGAGAGAGTAACG TY GCTTATTCTCAGGG-CGGGGCGAAATTCCCCACCGGCGGT 67 AGCCCGCGAGCG 8 3 8 GTCAGCAGATCCGGTGTAATTCCGGGGCCGACGGTTAA-AGTCCGGAT-GGGAGAGGGTAACG KP GCTTATTCTCAGGG-CGGGGCGAAATTCCCCACCGGCGGT 20 AGCCCGCGAGCG 8 4 8 GTCAGCAGATCCGGTGTAATTCCGGGGCCGACGGTTAA-AGTCCGGAT-GGGAGAGAGTAACG HI TCGCATTCTCAGGG-CAGGGTGAAATTCCCTACCGGTGGT 2 AGCCCACGAGCG 26 9 30 GTCAGCAGATTTGGTGAAATTCCAAAGCCGACAGT-AA-AGTCTGGAT-GAAAGAGAATAAAA VK GCGCATTCTCAGGG-CAGGGTGAAATTCCCTACCGGTGGT 14 AGCCCACGAGCG 11 9 11 GTCAGCAGATTTGGTGAGAATCCAAAGCCGACAGT-AT-AGTCTGGAT-GAAAGAGAATAAGC VC CAATATTCTCAGGG-CGGGGCGAAATTCCCCACCGGTGGT 13 AGCCCACGAGCG 5 4 5 GTCAGCAGATCTGGTGAGAAGCCAGGGCCGACGGTTAC-AGTCCGGAT-GAGAGAGAATGACA YP GCTTATTCTCAGGG-CGGGGTGAAAGTCCCCACCGGCGGT 40 AGCCCGCGAGCG 16 6 16 GTCAGCAGACCCGGTGTAATTCCGGGGCCGACGGTTAT-AGTCCGGAT-GGGAGAGAGTAACG AB GCGCATTCTCAGGG-CAGGGTGAAAGTCCCTACCGGTGGT 25 AGCCCACGAGCG 16 4 27 GTCAGCAGATTTGGTGCGAATCCAAAGCCGACAGTGAC-AGTCTGGAT-GAAAGAGAATAAAA BP GTACGTCTTCAGGG-CGGGGTGCAATTCCCCACCGGCGGT 18 AGCCCGCGAGCG 10 4 10 GTCAGCAGACCTGGTGAGATGCCAGGGCCGACGGTCAT-AGTCCGGAT-GAGAGAAGATGTGC AC ACATCGCTTCAGGG-CGGGGCGTAATTCCCCACCGGCGGT 16 AGCCCGCGAGCA 10 3 11 ---CGCAGATCTGGTGTAAATCCAGAGCCGACGGT-AT-AGTCCGGAT-GAAAGAAGACGACG Spu AACAATTCTCAGGG-CGGGGTGAAACTCCCCACCGGCGGT 34 AGCCCGCGAGCG 6 6 6 GTCAGCAGATCTGGTG 52 TCCAGAGCCGACGGT 31 AGTCCGGAT-GGAAGAGAATGTAA PP GTCGGTCTTCAGGG-CGGGGTGTAAGTCCCCACCGGCGGT 13 AGCCCGCGAGCG 7 3 7 GTCAGCAGATCTGGTGCAACTCCAGAGCCGACGGTCAT-AGTCCGGAT-GAAAGAAGGCGTCA AU GGTTGTTCTCAGGG-CGGGGTGCAATTCCCCACCGGCGGT 17 AGCCCGCGAGCG 7 9 7 GTCAGCAGATCCGGTGAGAGGCCGGAGCCGACGGT-AT-AGTCCGGAT-GGAAGAGGACAAGG PU AAACGTTCTCAGGG-CGGGGTGCAATTCCCCACCGGCGGT 19 AGCCCGCGAGCG 19 4 18 GTCAGCAGACCCGGTGTGATTCCGGGGCCGACGGTCAC-AGTCCGGATGAAGAGAGAACGGGA PY TAACGTTCTCAGGG-CGGGGTGCAACTCCCCACCGGCGGT 19 AGCCCGCGAGCG 15 4 16 GTCAGCAGACCCGGTGTGATTCCGGGGCCGACGGTCAT-AGTCCGGATGAAGAGAGAGCGGGA PA TAACGTTCTCAGGG-CGGGGTGAAAGTCCCCACCGGCGGT 19 AGCCCGCGAGCG 14 4 13 GTCAGCAGACCCGGTGCGATTCCGGGGCCGACGGTCAT-AGTCCGGATAAAGAGAGAACGGGA MLO TAAAGTTCTCAGGG-CGGGGTGAAAGTCCCCACCGGCGGT 16 AGCCCGCGAGCG 8 5 8 GTCAGCAGATCCGGTGTGATTCCGGAGCCGACGGTTAG-AGTCCGGAT-GAAAGAGGACGAAA SM AAGCGTTCTCAGGG-CGGGGTGAAATTCCCCACCGGCGGT 34 AGCCCGCGAGCG 8 3 8 GTCAGCAGATCCGGTCGAATTCCGGAGCCGACGGTTAT-AGTCCGGAT-GGAAGAGAGCAAGC BME GCTTGTTCTCGGGG-CGGGGTGAAACTCCCCACCGGCGGT 17 AGCCCGCGAGCG 10 15 10 GTCAGCAGATCCGGTGAGATGCCGGAGCCGACGGTTAA-AGTCCGGAT-GGAAGAGAGCGAAT BS ATCAATCTTCGGGG-CAGGGTGAAATTCCCTACCGGCGGT 18 AGCCCGCGA--- 5 4 5 -----AGGATTCGGTGAGATTCCGGAGCCGACAGT-AC-AGTCTGGAT-GGGAGAAGATGGAG BQ GTCTATCTTCGGGG-CAGGGTGAAAATCCCGACCGGCGGT 27 AGCCCGCGA—-- 3 5 3 -----AGGATTTGGTGTGATTCCAAAGCCGACAGT-AT-AGTCTGGAT-GGGAGAAGATGGAG BE ATTCATCTTCGGGG-CAGGGTGAAATTCCCGACCGGCGGT 20 AGCCCGCGA--- 3 4 3 -----AGGATCCGGTGCGAGTCCGGAGCCGACAGT-AT-AGTCTGGAT-GGGAGAAGATGAAG CA AATGATCTTCAGGG-CAGGGTGAAATTCCCTACCGGCGGT 2 AGCCCGCGAG-- 3 4 3 ----TATGATCCGGTTTGATTCCGGAGCCGACAGT-AA-AGTCTGGAT-GAAAGAAGATATAT DF GAAGATCTTCGGGG-CAGGGTGAAATTCCCTACCGGCGGT 2 AGCCCGCG---- 6 4 6 -------GATTTGGTGAGATTCCAAAGCCGACAGT-AA-AGTCTGGAT-GAGAGAAGATATTT EF GTTCGTCTTCAGGGGCAGGGTGTAATTCCCGACCGGTGGT 3 AGTCCACGAC-- 5 3 5 ----ATTGAATTGGTGTAATTCCAATACCGACAGT-AT-AGTCTGGAT—-AAAGAAGATAGGG LLX AAATATCTTCAGGG-CACCGTGTAATTCGGGACCGGCGGT 21 ACTCCGCGAT-- 4 4 4 ----–TTGAAGCAGTGAGAATCTGCTAGCGACAGT-AA-AGTCTGGAT-GGAAGAAGATGAAC LO GTTCATCTTCGGGG-CAGGGTGCAATTCCCGACCGGTGGT 3 AGTCCACGAT-- 3 10 3 ----TTGACTCTGGTGTAATTCCAGGACCGACAGT-AT-AGTCTGGAT-GGGAGAAGATGTTG PN AAGAGTCTTCAGGG-CAGGGTGAAATTCCCGACCGGCGGT 125 AGTCCGTG---- 3 4 3 -------GATGTGGTGAGATTCCACAACCGACAGT-AT-AGTCTGGAT-GGGAGAAGACGAAA ST AAGTGTCTTCAGGG-CAGGGTGTGATTCCCGACCGGCGGT 14 AGTCCGCG---- 3 4 3 -------GATGTGGTGTAACTCCACAACCGACAGT-AT-AGTCTGGAT-GAGAGAAGACCGGG MN AAGTGTCTTCAGGG-CAGGGTGAGATTCCCGACCGGCGGT 104 AGTCCGCG---- 3 4 3 -------GATGTGGTGAAATTCCACAACCGACAGT-AA-AGTCTGGAT-GGGAGAAGACTGAG SA ATTCATCTTCGGGG-TCGGGTGTAATTCCCAACCGGCAGT 6 AGCCTGCGAC-- 11 3 11 ----–CTGATCTAGTGAGATTCTAGAGCCGACAGT-AT-AGTCTGGAT-GGGAGAAGATGGAG AMI TCACAGTTTCAGGG-CGGGGTGCAATTCCCCACTGGCGGT 14 AGCCCGCGC--- 5 5 5 ------TGATCTGGTGCAAATCCAGAGCCAACGGT-AT-AGTCCGGAT-GGAAGAAACGGAGC DHA ACGAACCTTCGAGG-TAGGGTGAAATTCCCGACCGGCGGT 20 AGCCCGCAAC-- 11 4 11 --CGACTGACTTGGTGAGACTCCAAGGCCGACGGT-AT-AGTCCGGAT-GGGAGAAGGTACAA FN AATAATCTTCGGGG-CAGGGTGAAATTCCCGACCGGTGGT 2 AGTCCACG---- 4 6 4 -------GATTTGGTGAAATTCCAAAACCGACAGT-AG-AGTCTGGAT-GAGAGAAGAAAAGA GLU ---TGTTCTCAGGG-CGGGGCGAAATTCCCCACCGGCGGT 28 AGCCCGCGAGCG 10 4 10 GTCAGCAGATCCGGTTAAATTCCGGAGCCGACGGTCAT-AGTCCGGAT-GCAAGAGAACC---

RFN, вторичная структура

NNNNyYYUC

NNNNrRRAG

NgGGNcCC

rgGGxc

ARRgxuAG

GRCCYG

AcCG

AGCCRGY

GG YRCC

GRYBy CYRVrG N

YGNaA N U U x N

Nx

AGU

UrN A g

Y

variab lestem -loop

additionalstem -loop

3 4

2

1

5

5 ’ 3 ’

u K NRA

xK

*

****

Capitals: invariant (absolutely conserved) positions.

Lower case letters: strongly conserved positions.

Dashes and stars: obligatory and facultative base pairs

N: any nucleotide. X: any nucleotide or deletion

Регуляторный механизм

Transcription attenuation

Translation attenuation

YpaA/RibU: транспортёр рибофлавина

• 5 предсказанных ТМ-сегментов => потенциальный транспортёр

• регуляторный RFN-элемент => ко-регуляция с генами метаболизма рибофлавина => транспорт рибофлавина или предшественника

• S. pyogenes, E. faecalis, Listeria: есть ypaA, нет генов биосинтеза рибофлавина => транспорт рибофлавина

Предсказание: YpaA – рибофлавиновый транспортёр (Gelfand et al., 1999)

Проверка:• генетический анализ

(Кренева и др., 2000)

• биохимический эксперимент (Burgess et al., 2006)

Биотиновый транспортер

BioY

• Идентификация:– ко-локализация– ко-регуляция– филогенетическ

ие паттерны

• Дополнительные компоненты– АТФаза(?) bioM – Пермеаза(?) bioN

Предсказание и подтверждение

Биосинтез тиамина

= thiN (confirmed)

(Gram-positive bacteria)

(Gram-negative bacteria)

Transport of HMPTransport of HET

yuaJ(=thiT): транспортер тиамина

• 6 предсказанных TM-сегментов• Регуляция РНК-переключателями THI • Streptococci: есть ThiT, нет тиаминового пути

• Регуляция РНК-переключателями THI• Никогда не встречается в геномах, не

имеющего тиаминового пути• Встречается только вместе с thiD и thiE• Иногда встречается в геномах без thiC

ykoFEDC: АТФ-зависимый транспортер

Co и Ni

• ко-локализация (хромосомные локусы)– транспортеры Ni –

с генами никель-зависимых ферментов

– транспортеры Co – с генами синтеза кобаламина

• ко-регуляция– транспортеры Ni –

фактор транскрипции NikR

– транспортеры Co – рибопереключатель В12

A

A

A

AA

AA

CGd

a

aa

a

a

ktk

h

CC

c

C

C

GG

G

GGG

G

GT

M

Y

K

y

c

c G

g

g G

G

G YG

tg

g

g

gN

RN

N

NN

r

r

r

g

g C

c

c T

C

C G

CC

a

ta N

B 12 box

P 0

5' 3'

P 1

P 4 V S

B I IB I

P 5 P 6

P 2

N

A dd- I

F acultative stem- loop

A dd- I I

The group

Bacillus/Clostridium

Other taxonomic groups

-proteobacteria

base stem

CGh

G

d

yc c

C C

P 3

Структура локусов

B12 riboswitch NikR binding sitegenes

Пять семейств транспортеров

Новое семейство транспортеров Co и Ni

NikM

CbiMNi2+

Co2+

+ CbiN

+ NikL, NikK

+ NikN

+ NikL

Дмитрий Родионов Thomas Eitinger

Предсказанные специфичности правильны

Co Co

Co

Ni

Ni

Ni

Структура: слишком много компонентов

Биотиновый

транспортер BioY

• АТФаза BioM ~ CbiO = NikO

• Пермеаза BioN ~ CbioQ = NikQ

Для транспорта достаточно компонент МN (АТФаза и пермеаза не обязательны – первый пример такого

транспортера)

cbiMNQO

cbiMNQ

cbiMN

cbiM

контроль

BioY тоже достаточно(даже в геномах, содержащих

BioMN; у BioMNY более крутая кинетика

Вершина айсберга?

Экспериментальные подтверждения

RibU: рибофлавин ThiT: тиамин FolT: фолат (ср. BioY)

Унивесальное

«заряжающее

устройство» +

специфи-ческие

компоненты

• Дмитрий Родионов– регуляция транскрипции– метаболическая реконструкция– идентификация транспортеров

• Алексей Витрещак– РНК-переключатели

• А.А. Миронов– программы

• Томас Хеббельн (Берлин) – Cо, Ni, биотин

• Андрей Остерман (Сан Диего) – рибофлавин

• Эндрю Хансон (Флорида) – тиамин• Дирк Слотблум (Гронинген) – фолат

• HHMI• РФФИ• «Молекулярная и клеточная биология»

(РАН)