Page 1
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
Page 2
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
Page 3
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
Page 4
Сравнительный подход к изучению регуляции
Метод генетического футпринтинга
Геном 1сайтсайт
Геном 2
Геном 3
Геном 4
нет сайта !
Вывод: ген находится под регуляцией.
Page 5
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 !
Page 6
Сравнительный подход к изучению регуляции
Метод генетического футпринтинга
Геном 1сайтсайт
Вывод: ? ? ?
Геном 2
Геном 3
Геном 4
нет сайта !
нет ГЕНА !
нет ГЕНА !
Page 7
Строение дыхательной цепи бактерий
Модуль 1Дегидрогеназный комплекс
Модуль 3Редуктазный комплекс
Модуль 2Хиноны
Page 8
Донорыэлектронов Дегидрогеназы Хиноны Редуктазы
Акцепторыэлектронов
Многообразие дыхательных цепей бактерийна примере Escherichia coli
Page 9
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
Page 10
Регуляция с помощью белка FNRFNR
O2 O2
Page 11
Регуляция с помощью белка ArcAArcA
O2 O2
Page 12
Регуляция с помощью белков NarL NarL ии NarP NarP
NO3 NO3
Page 13
Ответ на нитрат и нитрит в Escherichia coli
ctgTACCCATTACCCATaaaaactaATGGGTAATGGGTAtcaaTACCCATTACCCATctgaaaaactacTACCCATTACCCATgactgaaaaaTACCCATTACCCATctaatccctatg
. . . . . . . . . .
actgaaaTACCCATTACCCATaaATGGGTAATGGGTAtaatc
Эффектор :
Сенсор :
Регулятор :
Сайт :
Page 14
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 :
Page 15
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/
Page 16
Филогенетическое дерево белков NarL NarL ии NarP NarP
NarL
NarP
Page 17
Филогенетическое дерево белков NarL NarL ии NarP NarP
NarL
NarP
Page 18
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
Page 19
Гамма-протеобактерии, содержащие только NarPNarP
Семейство Enterobacteriaceae
Семейство Pasteurellaceae
Семейство Vibrionaceae
Page 20
Результаты работы
Авторегуляция и регуляторные каскады
Escherichia coli
Page 21
Результаты работы
Авторегуляция и регуляторные каскады
Yersinia pestis, Yersinia entercolitica
Page 22
Результаты работы
Авторегуляция и регуляторные каскады
Haemophilus influenzae, Pasteurella multocida, Actinobacillus actinomycetemcomitans
Page 23
Результаты работы
Авторегуляция и регуляторные каскады
Haemophilus ducreyi, Vibrio fischeri, Vibrio cholerae,Vibrio vulnificus, Vibrio parahaemolyticus
Page 24
NarP - регулон
Результаты работы
1. Включает все гены, регулируемые в Escherichia coli двойной системой NarL + NarP2. Ядро регулона :
Page 25
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
Page 26
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 !
Page 27
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
Page 28
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.
Page 29
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.