Исследование транскрипционной регуляции биосинтеза метионина в различныхтаксономических группах методами

сравнительной геномики

Ковалева Галина

Московский Государственный Университет им.М.В.ЛомоносоваИнститут Проблем Передачи Информации РАН

Часть I. Биосинтез метионина в бактериальных геномах(порядок Actinomycetales)

Часть II. Биосинтез метионина в дрожжевых геномах(род Saccharomyces)

Часть III. Биосинтез метионина в геномах аскомицет(Neurospora crassa, Aspergillus nidulans)

оксалоацетатаспартат

аспартил-фосфат

аспартат-семиальдегид лизин

гомосерин треонин изолейцин

о-ацетилгомосерин о-сукцинилгомосерин

цистатионин

гомоцистеин

метионин

сульфат

аденилилсульфат (APS)

фосфоаденилилсульфат(PAPS)

сульфит

сульфид

серин+ацетил-КоА

о-ацетилсеринцистеин

- C.glutamicum - E.coli - P.aeruginosa - A.nidulans - S.cerevisiae

Бактериальные геномы.Corynebacterium glutamicum

- предсказана оперонная организация регулона McbR

- известен транскрипционный регулятор McbR

(18 оперонов, объединяющие 36 генов)

- на основании выравнивания регуляторных областейпредсказан сайт связывания регулятора, для пятипотенциальных сайтов предсказание проверено

экспериментально

Streptomyces coelicolor

Rhodopseudomonas palustris

Bradyrhizobium japonicum

Bradyrhizobium japonicum

Burkholderiacepacia Burkholderia mallei

Ralstonia eutropha

Pseudomonas fluorescens

Silicibacter pomeroyi

Anaeromyxobacter dehalogenans

Streptomyces avermitilis

Corynebacterium jeikeium

Corynebacterium diphtheriae

Corynebacterium glutamicumCorynebacterium efficiens

Nocardia farcinica

Streptomyces coelicolor

Leifsonia xyli

Mycobacteriumtuberculosis

Mesorhizobium lotiBordetella pertussis

Magnetospirillum magnetotacticum

Burkholderia fungorum

Burkholderia pseudomallei

Burkholderia ambifariaBurkholderia cepacia

McbR и его ортологи

Cgl

Cdp

Cef

Cjk

Nfa

Lxl

Scc

***

Cgl

Cdp

Cef

Cjk

Nfa

Lxl

Scc

Cgl

Cdp

Cef

Cjk

Nfa

Lxl

Scc

cysI cysX cysD cysN cysY cysZ ?Cgl

Cdp

Cef

Cjk

Nfa

Lxl

Scc

cysHcysJ/fpr2 MTA nucleosidase

MetY metX

(metC)

(cysD) (metA)

no orthologs

no orthologs

no orthologs

no orthologs

no orthologs

no orthologs

hom/thrA thrB thrC

***

cysC

(cysX)(fpr1)

cg0737 cg0736 cg0735

DIP0611

brnQaecD cg2538cg2524

(metC)

ywjA jk0591

Cgl

Cdp

Cef

Cjk

Nfa

Lxl

Scc

McbR

McbR

McbR

McbR McbR

McbR

McbR

McbR

McbR

McbR

McbR

McbR

McbR

терминаторная шпилька. Предсказанав работе .Rey et al., 2005-

-

-

--

*-

cайт связывания McbR. Экспериментальноподтвержден в работе Rey et al., 2005.

cайт связывания McbR. Предсказан вработе .Rey et al., 2005

cайт связывания McbR. Предсказан вданной работе.

неортологичное замещение

гены разнесены по геному

McbR

McbR

McbR

McbR

McbR

McbR

McbR

McbRMcbR

McbR

McbR

McbR

New!

CysC: принимает участие в восстановлении сульфата

New!

cysI cysX cysD cysN cysY cysZC gl

C dp

C ef

C jk

N fa

Lxl

Scc

cysHcysJ/fpr2 M TA nu c le os ida se

no orthologs

no orthologs

***

cysC

(cysX)(fpr1 )

MTA нуклеозидазы: восстановление пула метионина изпобочного продукта биосинтеза полиаминов

Предъявлено несколько новых членов регулона McbR:

Cgl

Cdp

Cef

Cjk

Nfa

Lxl

Scc

no orthologs

McbR

no orthologs

no orthologs

McbR

McbR

McbRcg1739

-глутамин-амидотрансферазным доменом guaA B.subtilis

Роль в биосинтезе метионина не очевидна

Сходство с:

-гомосерин-сукцинилтрансферазным доменом

Дрожжевые геномыгеномы. Род Saccharomyces

- длина регуляторных областей в среднем 600 п.н.

- известно три транскрипционных регулятора биосинтеза метионина:

1) Gcn4p. Глобальный регулятор биосинтеза аминокислот. Консенсус сайта связывания TGACTC.

2) Комплекс Met31/Met32. Функция не известна. Консенсус сайта сайта связывания AAACTGTGG.

3) Комплекс Cbf1/Met4/Met28. По видимому, основной регулятор биосинтеза метионина. Консенсус сайта связывания TCACGTG.

1) Несмотря на довольно высокое качество выравниваний регуляторныхобластей, очевиден высокий уровень перепредсказаний (false-positives) вследствие слишком малых длин сайтов.

2) Замечено, что даже экспериментально подтвержденные сайты частоне консервативны

Вводим понятие консервативности сайта:

Предсказание сайтов в ортологичных регуляторных областях.Выравнивание регуляторных областей

Smik___ATTTCTATCACGTGTGAATTSkudr__ATTTC-ATCACGTGCAGTTTScer___ATTTC-ATCACGTGCGTATTSpar___ATTCC-ATCACGTGCGGATT *** * ******** **

Консервативность сайтав каждом геноме =1.0

met5Scer_TTTCGCTCGTGGAAAASpar_TTTCGCTCGTGCAAAASmik_TTTTGCTCGTGGGAAASbay_TTACACTCGCGGAAAA ** **** * ***

met13

В геноме S.bayanusконсервативность сайта =0

Промежуточный вариант, консервативность =0.5: в сайте есть точечная замена,но он все еще удовлетворяет распознающему правилу

Все сайты связывания регуляторов были разбиты на три группы: - показанные экспериментально («известные») - сильные предсказанные. Вес значительно выше порогового - слабые предсказанные. Пороговый вес.

Gcn4p

S.p

arad

oxus

S.m

ikat

ae

S.k

udria

vzev

ii

S.b

ayan

us

S.p

arad

oxus

S.m

ikat

ae

S.k

udria

vzev

ii

S.b

ayan

us

S.p

arad

oxus

S.m

ikat

ae

S.k

udria

vzev

ii

S.b

ayan

us

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

Уров

ень

конс

ерва

тивн

ости

Cbf1-комплекс

S.p

arad

oxus

S.m

ikat

ae

S.k

udria

vzev

ii

S.b

ayan

us

S.p

arad

oxus

S.m

ikat

ae

S.k

udria

vzev

ii

S.b

ayan

us

S.p

arad

oxus

S.m

ikat

ae

S.k

udria

vzev

ii

S.b

ayan

us

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

Уров

ень

конс

ерва

тивн

ости

известные сильные предск. слабые предск. известные сильные предск. слабые предск.

известные сильные предск. слабые предск.

Met31/Met32

S.p

arad

oxus

S.m

ikat

ae

S.k

udria

vzev

ii

S.b

ayan

us

S.p

arad

oxus

S.m

ikat

ae

S.k

udria

vzev

ii

S.b

ayan

us

S.p

arad

oxus

S.m

ikat

ae

S.k

udria

vzev

ii

S.b

ayan

us

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

Уров

ень

конс

ерва

тивн

остиДаже экспериментально

подтвержденные сайтысвязывания регуляторов

не абсолютноконсервативны

Консервативность только«сильных» сайтов

сравнима с таковой для экспериментально

подтвержденных сайтов

Аскомицеты.Neurospora crassa, Aspergillus nidulans

- регуляторные области длиной до 3000 п.н.

- предсказан консенсус сайта связывания регулятора вида ATG-n4-CAT. Показан для N.crassa

- основная часть генов пути в N.crassa не картирована. Для A.nidulans известно больше генов, но не известно ни одного сайта связывания

- нет геномов организмов, занимающих промежуточное положение между A.nidulans и N.crassa, таких как Magnaporthe grisea

Задача: предъявить сайты связываниярегулятора биосинтеза метионина

для Aspergillus nidulans

Выравнивания регуляторных областей:

- длина регуляторных областей (3000 п.н.)

- наличие инсерций/делеций длиной в среднем в 200 п.н.

- низкое качество выравниваний

- длина сайтов связывания транскрипционного фактора (10 п.н.)

- центральные нуклеотиды сайтов связывания не информативны

Cys14_1 TGTTCGCTGATGCCATTCATTACAAGCGACTACGGTAAGTAA

Cys14_2 TTTTCGCTTGGGGATGACGTGCAAAAGCGAACCCCTACTGCACG

Cys14_3

1990:

TTGAGAACATTGCGCCATGAAACCCCTGGGATGTCGTCATGTTAAAGGAACTCTTGTAACGCGGTACTTTGGGGACCCTACAGCAGTACAATTTCC

Cys3 CCGAGAATGGTGTCATTTCTCGTGACTTTGGGGGGATTGCACCATCGAGGGGGGCTCTTACCACAGTAAAGAGCACTGAAACCCCCCTAACGTGGTAGCTCCCC

??? - спейсер в 5 п.н. - неконсусный сайт

???

Проверенные способы интерпретации экспериментально показанных сайтов:

- двухбоксовый сайт со спейсером 4-5 п.н.

- варьирующий спейсер между двумя сайтами

- поиск по предложенному консенсусу

Работа была выполнена под руководством М.С.Гельфанда

Спасибо завнимание!!!!