Эволюция регуляторных систем у бактерий

М.С.Гельфанд

Институт проблем передачи информации им. А.А.Харкевича РАН

40 лет журналу «Молекулярная биология» 25.4.2007

От эволюции генов и белков к эволюции геномов, метаболических и

регуляторных систем

~1000 бактериальных геномов

Проблема: как их анализировать?

Возможности:• сравнительная геномика

– Функциональная аннотация– Метаболическая реконструкция– Регуляторные системы

• Новый уровень изучения эволюции

Сравнительная геномика регуляторных систем: задачи

• Микроэволюция: динамика отдельных регуляторных сайтов

• Ко-эволюция факторов транскрипции и узнаваемых ими мотивов в ДНК– Изменение специфичности регуляторов

• Макроэволюция:– Расширение, сокращение, деление и слияние

регулонов– Перекоммутация регуляторных каскадов– Смена регуляторных систем

Методы: филогенетический футпринтинг

Регуляторные сайты выглядят как консервативные островки в выравниваниях 5’-областей

Пример: гены nrd у Yersinia+Erwinia,сайты связывания FNR, DnaA, NrdR

Методы: проверка соответствия

Истинные сайты систематически обнаруживаются перед ортологичными генами, ложные расположены случайно

Пример: новый регулятор биотинового метаболизма альфа-протеобактерий BioR

Рождение и исчезновение сайтов – очень динамический процесс

Сайты связывания NadR перед геном pncB

Расширение регулона: как FruR стал CRA

icdA

aceA

aceB

aceEF

pckA

ppsApykF

adhE

gpmApgk

tpiA

gapApfkAfbp

FructosefruKfruBA

eda

eddepd

Glucose

ptsHI-crr

Mannose

manXYZ

mtlDmtlAMannitol

гамма-протеобактерии

проекция экспериментально известных сайтов E.coli на родственные геномы: что окажется консервативно?

Общий предок Enterobacteriales

icdA

aceA

aceB

aceEF

pckA

ppsApykF

adhE

gpmApgk

tpiA

gapApfkAfbp

FructosefruKfruBA

eda

eddepd

Glucose

ptsHI-crr

Mannose

manXYZ

mtlDmtlAMannitol

гамма-протеобактерииEnterobacteriales

Общий предок Escherichia and Salmonella

icdA

aceA

aceB

aceEF

pckA

ppsApykF

adhE

gpmApgk

tpiA

gapApfkAfbp

FructosefruKfruBA

eda

eddepd

Glucose

ptsHI-crr

Mannose

manXYZ

mtlDmtlAMannitol

гамма-протеобактерииEnterobacterialesE. coli и Salmonella spp.

Исчезновение регуляторов – тоже динамический процесс

потеря RbsR у Y. pestis (ABC-транспортер тоже утерян)

Start codon of rbsD

RbsR binding site

Потеря регулятора и слияние регулонов

По-видимому, laci-X существовал у общего предка (Klebsiella – внешний геном)

Yersinia и Klebsiella: два регулона, GalR и Laci-X

Erwinia: один регулон, GalR

Изменение регулятора

Замена: вторжение регулятора из другого подсемейства (горизонтальный перенос),

с другим мотивом связывания

стрептококки, утилизация мальтозы/мальтодекстрина

Дупликация регулятора (и изменение мотива?) – альфа-проетобактерия, утилизация мальтозы/трегалозы

Регуляция гомеостаза железаЖелезо:• необходимый кофактор (лимитирующий во многих

экологических нишах)• опасно в больших концентрациях

Кишечная палочка (E. coli): FUR, регуляция транскрипции в ответ на железо:

• синтез сидерофоров• транспорт (сидерофоры, гем, Fe2+, Fe3+)• хранение (ферритины и т.п.)• железо-зависимые ферменты• синтез гема• синтез железо-серных кластеров

Похоже в сенной палочке (Bacillus subtilis)

Регуляция гомеостаза железа у альфа- протеобактерий

Эксперимент:

FUR/MUR: Bradyrhizobium, Rhizobium and Sinorhizobium

RirA (семейство Rrf2): Rhizobium and Sinorhizobium

Irr (семейство FUR): Bradyrhizobium, Rhizobium and Brucella

RirA IrrFeS heme

RirA

degraded

FurFe

Fur

Iron uptake systems

Siderophoreuptake

Fe / Feuptake Transcription

factors

2+ 3+

Iron storage ferritins

FeS synthesis

Heme synthesis

Iron-requiring enzymes

[iron cofactor]

IscR

Irr

[- Fe] [+Fe]

[+Fe][- Fe]

[+Fe][ Fe]-

FeS

FeS statusof cell

Распре-деление

факторов по

геномам

Семейство FUR/MUR/Irr

MBNC03003593RB2654 19538

AGR C 620

RL mur

Nwi 0013RPA0450

BJ furROS217 18337

Jann 1799SPO2477

STM1w01000993MED193 22541

OB2597 02997SKA53 03101Rsph03000505ISM 15430

GOX0771ZM01411

Saro02001148Sala 1452

ELI1325OA2633 10204

PB2503 04877CC0057

Rrub02001143Amb1009Amb4460

SM murMBNC03003179

BQ fur2BMEI0375

Mesorhizobium sp. BNC1 (I)

Sinorhizobium meliloti

Bartonella quintana

Rhodopseudomonas palustris

Bradyrhizobium japonicum

Caulobacter crescentus

Zmomonas mobilisy

Rhodobacter sphaeroides

Silicibacter sp. TM1040Silicibacter pomeroyi

Agrobacterium tumefaciens

Rhizobium leguminosarum

Brucella melitensis

Mesorhizobium sp. BNC1 (II)

Rhodobacterales bacterium HTCC2654

Nitrobacter winogradskyiNham 0990 Nitrobacter hamburgensis X14

Jannaschia sp. CC51Roseovarius sp.217

Roseobacter sp. MED193Oceanicola batsensis

HTCC2597

Loktanella vestfoldensis SKA53

Roseovarius nubinhibens ISM

Gluconobacter oxydans

Erythrobacter litoralis

Novosphingobium aromaticivoransSphinopyxis alaskensis RB2256

Oceanicaulis alexandrii HTCC2633

Rhodospirillum rubrum

Parvularcula bermudensis HTCC2503

Magnetospirillum magneticum (I)

EE36 12413Sulfitobacter sp. EE-36

ECOLIPSEAE

NEIMAHELPY

BACSUHelicobacter pylori: sp|O25671

Bacillus subtilis: P54574sp|

Neisseria meningitidis: sp|P0A0S7Pseudomonas aeruginosa: sp|Q03456

Escherichia coli: P0A9A9sp|

Fur

Magnetospirillum magneticum (II)

RHE_CH00378Rhizobium etli

PU1002 04436Pelagibacter ubique HTCC1002

MU

R

Irr

FU

R

E.coli

B.subtilis

регуляция генов транспортеров Mn

Семейство RirA/NsrR (Rhizobiales)

Семейство IscR

Регуляция генов в функциональных

подсистемах

Rhizobiales

Bradyrhizobiaceae

Rhodobacteriales

The Zoo (likely ancestral state)

Реконструкция истории регуляторной системы

Appearance of theiron-Rhodo motif

Frequent co-regulation

with Irr

Strict division of function

with Irr

Все мотивы и одна очень привлекательная

гипотеза:

• Кросс-узнавание мотивов FUR и IscR в общем предке.

• Когда FUR стал MUR, а IscR пропал у Rhizobiales, возникший RirA (из семейства Rrf2 с совсем другим общим консенсусным мотивом) «завладел» этими сайтами.

• Iron-Rhodo мотив узнаетс IscR: поддается прямой проверке

Мотивы ДНК и белок-ДНКовые взаимодействия

CRP PurR

IHF TrpR

Энтропия в выравненных сайтах и количество контактов (тяжелые атомы в паре оснований на расстоянии <порога от атома белка)

Детерминанты специфичности семейства LacI

Обучение: 459 белков, средняя длина: 338 аа, 85 групп специфичности

10 остатков в контакте с эффектором

6 остатков – межсубъединичные контакты

7 остатков в контакте с оператором

7 в области контакта с эффектором (5Ǻ<dmin<10Ǻ)

5 в зоне межсубъединичного контакта (5Ǻ<dmin<10Ǻ)

6 в зоне контакта с оператором (5Ǻ<dmin<10Ǻ)

– 44 SDPs

LacI from E.coli

Семейство факторов транскрипции CRP/FNR

FNR

HcpR

CooA

Gam ma

Desulfovibrio

Desulfovibrio

TGTCGGCnnGCCGACA

TTGTgAnnnnnnTcACAA

TTGTGAnnnnnnTCACAA

TTGATnnnnATCAA

Корреляция между нуклеотидами в мотиве и остатками в белке

• CooA в Desulfovibrio spp.• CRP в гамма-протобактериях• HcpR в Desulfovibrio spp. • FNR в гамма-протобактериях

DD COOA ALTTEQLSLHMGATRQTVSTLLNNLVRDV COOA ELTMEQLAGLVGTTRQTASTLLNDMIREC CRP KITRQEIGQIVGCSRETVGRILKMLEDYP CRP KXTRQEIGQIVGCSRETVGRILKMLEDVC CRP KITRQEIGQIVGCSRETVGRILKMLEEDD HCPR DVSKSLLAGVLGTARETLSRALAKLVEDV HCPR DVTKGLLAGLLGTARETLSRCLSRMVEEC FNR TMTRGDIGNYLGLTVETISRLLGRFQKYP FNR TMTRGDIGNYLGLTVETISRLLGRFQKVC FNR TMTRGDIGNYLGLTVETISRLLGRFQK

TGTCGGCnnGCCGACA

TTGTgAnnnnnnTcACAA

TTGTGAnnnnnnTCACAA

TTGATnnnnATCAA

Контактирующие: REnnnRTG: 1й аргининGA: глютамат и 2й аргинин

Эта кор-реляция сохра-

няется и в других членах

семейст-ва

Открытые проблемы

• Моделирование эволюции регуляторных систем– каталог элементарных событий– механизмы

• как рождаются сайты?• дупликации и горизонтальные переносы факторов и регулируемых оперонов

– оценки вероятностей– общие свойства:

• распределение размера семейств факторов транскрипции в геномах• геном-специфичные массовые дупликации («взрывы») и их причины• стабильные ядра и лабильные периферии регулонов: связь с метабооической

картой

• Коэволюция факторов транскрипции и мотивов ДНК: – Как эволюционируют мотивы? Что является движущей силой – мутации

фактора?– код ДНК-белкового узнавания – свой для кадого семейства? Предсказние

мотива по белку.

Все это на фоне трудоемкого сбора (литература, массовые эксперименты) и порождения (сравнительная геномика) данных, их неполноты и неточности

Кто это делал:

• А.А.Миронов (алгоритмы и программы)• А.Б.Рахманинова (структуры белков)• Дмитрий Родионов (BioR, NrdR, железо)• Ольга Лайкова (LacI, сахара)• Дмитрий Равчеев (FruR)• Ольга Калинина (специфичность/LacI)

• Leonid Mirny, MIT (ДНК-белковые контакты, специфичность)

• Andy Johnston, University of East Anglia (железо)

• Howard Hughes Medical Institute • РФФИ• РАН, программа “Молекулярная и клеточная биология”• INTAS