Герасимова А.В., Равчеев Д.А., Гельфанд М.С., Рахманинова А.Б. Регуляция анаэробного дыхания бактерий. Анализ методами сравнительной геномики. Московский Государственный Университет им. М.В. Ломоносова, Факультет Биоинженерии и Биоинформатики Институт Проблем Передачи Информации

Поиск регуляторных сайтов Поиск по консенсусу ctaTACTCATATATTGGTAtac tgtTACTCATTTATGGGTAagt actTACCTATATAGGGGTAatc tacTACCCCTATATGAGTAatg tggTACTCATATAGGGGTActg atgTACCCATATATGAGTAtca agcTACCTATATATAGGTAgaa... TAC T A GTA Обучающая выборка Консеснусная последовательность ССA AT TGG TTC TA GAA Найденный сайт : ctacattaagatcgcttcactaaaccaTAaTTCTAcAGGGGTttattatgcggaaactctggaacgcg Вес сайта = 13/16

Поиск регуляторных сайтов Матрицы весов TACTCATATATTGGTA TACTCATTTATGGGTA TACCTATATAGGGGTA TACCCCTATATGAGTA TACTCATATAGGGGTA TACCCATATATGAGTA TACCTATATATAGGTA Обучающая выборка Найденный сайт : ctacattaagatcgcttcactaaaccaTAATTCTACAGGGGTTtattatgcggaaactctggaacgcg Вес сайта = 3.91 Вес каждого нуклеотида для каждой позиции: Позиция a c g t Позиция a c g t Матрица весов Диаграмма Logo – графическое отображение матрицы

Сравнительный подход к изучению регуляции Метод генетического футпринтинга Геном 1 сайт Геном 2 Геном 3 Геном 4 нет сайта ! Вывод: ген находится под регуляцией.

Сравнительный подход к изучению регуляции Метод генетического футпринтинга Геном 1 сайт Вывод: ген не регулируется данной регуляторной системой. Геном 2 Геном 3 Геном 4 нет сайта !

Сравнительный подход к изучению регуляции Метод генетического футпринтинга Геном 1 сайт Вывод: ? ? ? Геном 2 Геном 3 Геном 4 нет сайта ! нет ГЕНА !

Строение дыхательной цепи бактерий Модуль 1 Дегидрогеназный комплекс Модуль 3 Редуктазный комплекс Модуль 2 Хиноны

Доноры электронов ДегидрогеназыХиноныРедуктазы Акцепторы электронов Многообразие дыхательных цепей бактерий на примере Escherichia coli

Регуляция различных типов дыхания в Escherichia coli FNR FNR– активация анаэробного и репрессия аэробного дыхания ArcA ArcA – активация аэробного метаболизма в ответ на присутствие кислорода NarLNarP NarL и NarP– регуляция нитратного и нитритного дыхания и репрессия других видов анаэробного дыхания Все три белка могут быть как активаторами, так и репрессорами

FNR Регуляция с помощью белка FNR O2O2 O2O2

ArcA Регуляция с помощью белка ArcA O2O2 O2O2

NarL и NarP Регуляция с помощью белков NarL и NarP NO 3

Ответ на нитрат и нитрит в Escherichia coli TACCCATATGGGTA ctgTACCCATaaaaactaATGGGTAtca TACCCATTACCCAT aTACCCATctgaaaaactacTACCCATg TACCCAT actgaaaaaTACCCATctaatccctatg..... TACCCATATGGGTA actgaaaTACCCATaaATGGGTAtaatc Эффектор : Сенсор : Регулятор : Сайт :

FNR Сайт связывания белка FNR 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, Ссылка :

ArcA Сайт связывания белка ArcA 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

NarL и NarP Филогенетическое дерево белков NarL и NarP NarL NarP

NarL и NarP Филогенетическое дерево белков NarL и NarP NarL NarP

NarP Сайт связывания белка NarP narP Ген narP всегда представлен вместе с генами : narQ napFDAGHBC nrfABCDEFG ccmABCDEF-dsbE-ccmH – сенсорный белок – периплазматическая нитрат-редуктаза – периплазматическая нитрит-редуктаза – экспорт гема в периплазму палиндром

NarP Гамма-протеобактерии, содержащие только NarP 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 + NarP 2. Ядро регулона :

Новые члены регулонов Результаты работы FNR, ArcA, NarP Yersinia 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 FnrArcA Yersinia pestisFnrArcA Fnr Yersinia entercoliticaFnr FnrArcANarP Pasteurella multocidaFnrArcANarP ArcANarP Actinobacillus actinomycetemcomitans ArcANarP FnrArcA Haemophilus influenzae FnrArcA FnrArcA NarP Haemophilus ducreyiFnrArcA NarP ArcA Vibrio vulnificus ArcA ArcA Vibrio parahaemolyticus ArcA FnrArcA Vibrio choleraeFnrArcA ArcA Vibrio fischeri ArcA Гомологии НЕТ !

Новые члены регулонов Результаты работы Оперон синтеза молибден-содержащего кофактора Fnr Yersinia pestisFnr FnrArcA Yersinia entercoliticaFnrArcA FnrArcA Pasteurella multocidaFnrArcA Fnr NarP Actinobacillus actinomycetemcomitansFnr NarP Fnr NarP Haemophilus influenzae Fnr NarP FnrArcANarP Haemophilus ducreyiFnrArcANarP NarP Vibrio vulnificus NarP NarP Vibrio parahaemolyticus NarP NarP Vibrio cholerae NarP ArcANarP Vibrio fischeri ArcANarP

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.