Эволюция участков связывания бактериальных факторов транскрипции в последовательностях ДНК тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.02, кандидат физико-математических наук Котельникова, Екатерина Александровна

• Котельникова, Екатерина Александровна
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Котельникова, Екатерина Александровна

ВВЕДЕНИЕ.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

Словарь.

Методы сравнительной геномики для изучения транскрипции.

Выработка бактериоцинов грам-положительными бактериями и механизмы транскрипционной регуляции.

Бактериальные взаимодействия.

Общие сведения о бактериоцинах.

Классификация бактериоцинов.

Формирование биологически активных молекул.

Регуляция выработки бактериоцинов.

Распознавание сайтов связывания транскрипционного фактора.

Наиболее распространенные модели: консенсусная и весовых матриц.

Другие модели.

Древо жизни и эволюция.

Молекулярные часы.

Теория отбора, нейтральная и почти нейтральная эволюции.

Определение расстояний между геномами и построение деревьев.

Эволюция ДНК сайтов связывания транскрипционных факторов.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ.

Исходные данные.

I Глава. Системы выработки бактериоцинов.

11-я и 111-я Главы. Анализ моделей связывания и эволюции.

Методы и программы, использованные в работе.

Поиск ортологов.

Распознавание ДНК-сигналов.

Межгеномные расстояния и кластеры ортологичных генов.

Математические методы.

Хи-квадрат тест на однородность.

Дисперсионный анализ (ANOVA).

Непараметрические критерии.

ГЛАВА I. ПРЕДСКАЗАНИЕ И АНАЛИЗ ТРАНСКРИПЦИОННОЙ РЕГУЛЯЦИИ

ВЫРАБОТКИ БАКТЕРИОЦИНОВ.

Генетика выработки бактериоцинов.

Генетическая организация бактериоцинных кластеров.

Регуляция транскрипции.

Регуляторные элементы системы выработки бактериоцинов класса II.

Регуляция транскрипции в системе выработки бактериоцинов Streptococcus equi.

Кластеризация регуляторных сайтов и регуляторов ответа.

Обсуждение.

ГЛАВА II. МОДЕЛИ РАСПОЗНАВАНИЯ ТРАНСКРИПЦИОННЫМ РЕГУЛЯТОРОМ САЙТОВ ДНК.

Анализ существующих моделей связывания.

Альтернативная модель.

Обсуждение.

ГЛАВА III. ЭВОЛЮЦИОННАЯ СТАБИЛЬНОСТЬ НЕКОНЕСЕНСУСНЫХ НУКЛЕОТИДОВ В САЙТАХ ДНК.

Влияние регулируемого гена на выбор неконсенсусного нуклеотида сайта.

Нейтральная эволюция и эволюционная стабильность неконсенсусных нуклеотидов.

Сравнение консенсусной и неконсенсусной консервативностей.

Обсуждение.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Эволюция участков связывания бактериальных факторов транскрипции в последовательностях ДНК»

Актуальность темы

Предсказание регуляции экспрессии генов является важным разделом компьютерной генетики и системной биологии. Это связано с тем, что, с одной стороны, в настоящее время сравнительно легко осуществляется секвенирование геномов, а с другой - использование этой информации для описания возможного фенотипа встречает определенные трудности, обусловленные отставанием понимания механизмов дифференциальной экспрессии от темпов секвенирования.

Связь генотипа и фенотипа у живых организмов осуществляется в первую очередь с помощью контроля экспрессии генов. Одним из важнейших этапов регуляции экспрессии является специфическая инициация транскрипции, связанная с образованием сложных ДНК-белковых комплексов. За последнее время в распоряжении исследователей появилось большое количество данных, включающих как последовательности взаимодействующих белков и ДНК, так и трехмерные структуры собственно ДНК-белковых комплексов. Несмотря на весь этот значительный экспериментальный материал, понимание физикохимических процессов, происходящих при инициации транскрипции, до сих пор не достигнуто.

За последние 20 лет было предложено несколько моделей, в которых описывалось переключение генов в ответ на изменение концентрации регуляторных факторов. Подобные модели предсказывают некоторые особенности регуляции экспрессии генов у различных видов, геномы которых уже секвенированы. В то же время, малые концентрации регуляторных факторов не позволяют осуществить экспериментальный выбор между этими моделями. В этой связи большое значение приобретают косвенные следствия тех или иных характеристик, которые бы позволяли определить физико-химические параметры ДНК-белкового взаимодействия. В частности, актуальным является изучение закономерностей в изменении регуляторных областей различных генов родственных геномов, возникающие в ходе эволюции. Особенности взаимодействия белковых факторов с регуляторными областями обуславливают ту или иную степень консервативности ДНК в регуляторных участках. Это же взаимодействие определяет консервативность аминокислот, входящих в ДНК-распознающие домены.

Стремительное развитие биоинформатики, сопровождающее быстрый рост доступных текстов ДНК, привело к появлению большого количества стандартных методов анализа последовательностей ДНК, позволяющих извлекать из них значительную информацию. Например, при помощи исследования некодирующих участков генома можно определять потенциальные участки специфического связывания регуляторных белков с ДНК, что дает основания предполагать активацию или репрессию определенных генов этими регуляторными факторами. Сравнительный анализ этих сигналов позволят делать выводы о характеристиках ДНК-белкового взаимодействия, например о структуре ДНК-белкового комплекса (связывание в форме мономера или димера, взаимодействующего с одной или с разными нитями ДНК), или об афинности связывания.

Кроме того, информация, полученная методами компьютерной биологии, позволяет осуществлять предсказания специфических особенностей метаболизма плохо изученных видов прокариот. В дальнейшем эти предсказания могут быть подтверждены или опровергнуты экспериментом, что делает разработку методов компьютерной геномики актуальной для обеспечения прогресса в биотехнологии и медицине.

Цель работы

Предсказание регуляции экспрессии генов, связанных с выработкой бактериоцинов грамположительными бактериями. Анализ моделей связывания транскрипционного фактора с ДНК. Определение особенностей эволюции ДНК сайтов связывания бактериальных транскрипционных факторов.

Научная новизна и практическая значимость

Произведен обзор механизмов выработки антибактериальных пептидов -бактериоцинов грамположительными бактериями. Систематически описано устройство всех локусов, содержащих гены регуляторных систем, транспорта, иммунитета, процессинга и посттрансляционной модификации антибактериальных пептидов. Показано, что эволюционное дерево транскрипционных регуляторов ответа соответствует дереву узнаваемых ими сайтов связывания, в соответствии с этим произведена классификация регуляторных систем. Для организма Streptococcus еду/предсказана новая система выработки бактериоцинов.

Проанализированы существующие способы распознавания регуляторных сигналов, показаны условия их применимости. Предложен новый подход к распознаванию регуляторных сигналов.

Описан эффект ген-специфической эволюции регуляторных сайтов, а именно, сохранения неконсенсусных нуклеотидов в ортологичных сайтах, где выбор нуклеотида обусловлен регулируемым геном. Обсуждены возможные применения сделанного наблюдения для предсказания регуляторных систем в малоизученных организмах.

Всё вышесказанное составляет практическую значимость работы и является поводом для экспериментальной проверки.

Апробация работы

Результаты работы представлялись на международных конференциях: 3-я конференция "Bioinformatics of Genome Regulation and Structure" (BGRS, Новосибирск, 2002); 1-я конференция "Moscow Conference on Computational Molecular Biology" (MCCMB, Москва, 2003); International workshop "Structural approaches to sequence evolutions: Molecules, networks, populations" (STRAPP, Дрезден, 2004); Meeting of Howard Hughes International Research Scholars (Таллинн, 2004); VII Международная Энгельгардтовская конференция по молекулярной биологии (ICMB, Суздаль 2004).

Объём и структуры диссертации.

Диссертация изложена на 106 страницах и состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов, и трех глав. В каждой главе содержится описание и обсуждения оригинальных результатов.

Заключение диссертации по теме «Биофизика», Котельникова, Екатерина Александровна

Выводы

1. Описана структура всех локусов кворум-чувствительности в системах выработки бактериоцинов грам-положительными бактериями.

2. Найдена новая предположительная система выработки бактериоцинов у бактерии Streptococcus equi.

3. Показано, что эволюционное дерево транскрипционных регуляторов ответа соответствует дереву узнаваемых ими сайтов. В соответствии с ним произведена классификация регуляторных сигналов.

4. Проведен анализ существующих способов распознавания регуляторных сигналов, исследованы границы их применимости. Предложен новый подход к распознаванию регуляторных сигналов, основанный на модели взвешенных консенсусных матриц.

5. Описан эффект ген-специфической эволюции регуляторных сайтов: показана консервативность неконсенсусных нуклеотидов в ортологичных сайтах, т.е. обусловленность нуклеотида регулируемым геном.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

• Е. A. Kotelnikova, V. J. Makeev, М. S. Gelfand. Evolution of transcription factor DNA binding sites. Gene. Vol. 347, N. 2. pp. 255-263.

• Gelfand M.S., Gerasimova A. V., Kazakov A.E., Kotelnikova E.A., Laikova O.N., Mironov A.A., Permina E.A., Ravcheev D.A., Rodionov D.A., Vitreschak A.G. 2004. Comparative genomics, metabolic reconstruction, and analysis of regulation in bacterial genomes. Proceedings of the "Meeting of Howard Hughes International Research Scholars" Tallinn, Estonia. P.45.

• E. A. Kotelnikova. 2003. Selecting a relevant model of a transcription factor binding site. Proceednings of the First International Moscow Conference on Computational Molecular Biology (MCCMB'2003), Moscow, Russia, July 22-25. pp.l 16-117.

• E.A. Котелъникова, М.С.Гелъфанд. 2002. Выработка бактериоцинов грам-положительными бактериями и механизмы транскрипционной регуляции. Генетика, Т. 38, номер 6, 2002, стр. 628-641.

• Е.А. Котелъникова, М.С.Гелъфанд. 2002. Регуляция транскрипции в системе выработки бактериоцинов Streptococcus equi. Генетика, Т. 38, номер 7, 2002, стр. 761-765.

• Е.А. Kotelnikova and M.S. Gelfand. 2002. Transcripional regulation of a new bacteriocin-producing system in Streptococcus equi. Proceedings of the Third International Conference on Bioinformatics of Genome Regulation and Structure. Novosibirsk, Russia. Vol.2, pp. 23-25.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Котельникова, Екатерина Александровна, 2005 год

1. Allison G.E., Worobo R.W., Stiles М.Е., Klaenhammer T.R. Heterologous expression of the lactacin F peptides by Carnobacterium piscicola LV17. Appl Environ Microbiol. 1995. V. 61. N. 4. P.1371-1377

2. Altena K., Guder A., Cramer C., Bierbaum G. Biosynthesis of the lantibiotic mersacidin: organization of a type В lantibiotic gene cluster. Appl.Envirom.Microbiol. 2000. V. 66. N. 6. P. 2565-2571.

3. Altschul S.F., Gish W., Miller W., Myers E.W., Lipman D.J. Basic local alignment tool. J. Mol. Biol. 1990; V. 215. N. 3. P. 403-410.

4. Axelsson L. and Hoick A. The genes involved in production of and immunity to sakacin A, a bacteriocin from Lactobacillus sake Lb706. J. Bacterid. 1995. V. 177. N. 8. P. 21252137.

5. Benos P. V., Bulyk M.L. and Stormo G. D. Additivity in protein-DNA interactions: how good an approximation is it? Nucleic Acids Research. 2002. V. 30 N. 20

6. Benson D.A., Karsch-Mizrachi I., Lipman D.J., Ostell J., Wheeler D.L. GenBank. Nucleic Acids Res. 2003.31:23-7.

7. BergJ., Willmann S., LassigM. Adaptive evolution of transcription factor binding sites. BMC Evol Biol. 2004. 4(1):42.

8. Berg O.G., von HippelP.H. Selection of DNA binding sites by regulatory proteins. J. Mol. Biol. 1987. 193,723-750.

9. Berg O.G. The evolutionary selection of DNA base pairs in gene-regulatory binding sites. Proc.Natl. Acad. Sci. USA. 1992. V.89. P. 7501-7505.

10. Bierbaum G., Brotz H., Koller K.P. and Sahl E.G. Cloning, sequencing and production of the lantibiotic mersacidin. FEMS Microbiol. Lett. 1995. V. 127. P. 121-126.

11. Bromham L., and Penny D. The modern molecular clock. Nat Rev Genet 2003.4:216-24.

12. Brurberg M.B., Nes I.F. and Eijsink V.G. Pheromone-induced production of antimicrobial peptides in Lactobacillus. Mol. Microbiol. 1997. V. 26 N. 2. P. 347-360.

13. Buckler N.E., Gerland U., Hwa T. On schemes of combinatorial transcription logic. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2003. 100: 5136-5141.

14. Bulyk M.L., Johnson P.L.,and Church G.M. Nucleotides of transcription factor binding sites exert interdependent effects on the binding affinities of transcription factors. Nucleic Acids Res. 2002. 30: 1255-1261.

15. Bussemaker H.J., Li H., and Siggia E.D. Building a dictionary for genomes: Identification of presumptive regulatory sites by statistical analysis. Proc.Natl. Acad. Sci. USA. 2000. V. 97. P. 10096-10100

16. Casaus P., Nilsen Т., Cintas L.M., Nes I.F., Hernandez P.E., Holo H. Enterocin B, a new bacteriocin from Enterococcus faecium T136 which can act synergistically with enterocin A. Microbiology. 1997. V. 143. N. 7. P.2287-2294

17. Cintas L.M., Casaus P., Holo H., Hernandez P.E., Nes I.F., Havarstein L.S. Enterocins L50A and L50B, two novel bacteriocins from Enterococcus faecium L50, are related to staphylococcal hemolysins. J Bacteriol. 1998. V. 180. N. 8. P. 1988-1994.

18. Claverie J.M, Audic S. The statistical significance of nucleotide position-weight matrix matches. Comput Appl Biosci. 1996. N 12. P 431-9.

19. Day W.H., McMorris F.R. A consensus program for molecular sequences. Comput Appl Biosci. 1993. 9(6):653-6.

20. Diep D.B., Havarstein L.S., and Nes I.F. Characterization of the locus responsible for bacteriocin production in Lactobacillus plantarum CI 1. J. Bacteriol. 1996. V. 178. p. 44724483.

21. Djordjevic M., Sengupta A. M., Shraiman B.I. A biophysical approach to transcription factor binding site discovery. Genome Res. 2003.13(11):2381-90.

22. Donvito В., Etienne J., Denoroy L., Greenland Т., Benito Y., Vandenesch F. Synergistic hemolytic activity of Staphylococcus lugdunensis is mediated by three peptides encoded by a non-agr genetic locus. Infect Immun. 1997. V. 65. N. 1. P. 95-100.

23. Dufour A., Rince A., Uguen P. and Le Pennec J.P. IS 1675, a Novel Lactococcal Insertion Element, Forms a Transposon-Like Structure Including the Lacticin 481 Lantibiotic Operon. J. Bacteriol. 2000. V. 182. N. 19. P. 5600-5605.

24. Durbin R., Eddy S., KroghA., Mitchison G. Biological sequence analysis. Probabilistic models of proteins and nucleic acids. Cambridge University Press. 1998.

25. Ehrmann M.A., Remiger A., Eijsink KG. and Vogel R.F. A gene cluster encoding plantaricin 1.25beta and other bacteriocin-like peptides in Lactobacillus plantarum TMW1.25. Biochim. Biophys. Acta. 2000. V. 1490. N. 3. P. 355-361.

26. Eijsink F.G.H., Brurberg M.B., Middelhoven P.H., and Nes I.F. Induction of bacteriocin production in Lactobacillus sake by secreted peptide. J. Bacteriol. 1996. V. 178. N. 8. P. 2232-2237.

27. Felix,J.V., Papathanasopoulos.M.A., Smith,A.A., von Holy,A. and Hastings,J.W. Characterization of leucocin B-Talla: a bacteriocin from Leuconostoc carnosum Talla isolated from meat. Curr. Microbiol. 1994. V. 29. N. 4. P. 207-212.

28. Felsenstein J. Evolutionary trees from DNA sequences: a maximum likelihood approach. J Mol Evol. 1981; 17(6):368-76.

29. Fields D.S., He Y„ Al-Uzri A.Y., Stormo G.D. Quantitative specificity of the Mnt repressor.J Mol Biol. 1997. V. 271. N. 2. P. 178-94.

30. Fremaux C., Hechard Y. and Cenatiempo Y. Mesentericin Y105 gene clusters in Leuconostoc mesenteroides Y105. Microbiology 1995. V. 141. N. 7. P. 1637-1645.

31. Garver K.I., Muriana P.M. Purification and partial amino acid sequence of curvaticin FS47, a heat-stable bacteriocin produced by Lactobacillus curvatus FS47. Appl Environ Microbiol. 1994. V. 60. N. 6. P. 2191-2195.

32. Gelfand M.S. Recognition of regulatory sites by genomic comparsion. Res. Microbiol. 1999. V. 150. P. 755-771.

33. Gelfand M.S., Koonin E.V., Mironov A.A. Prediction of transcription regulatory sites in Archaea by a comparative genomic approach. Nucleic Acids Res. 2000. V. 28. P. 695705.

34. Gerasimova A.V., Rodionov D.A., Mironov A.A., Gel'fand M.S. Computer analysis of regulatory signals in bacterial genomes. Fnr binding segments. Mol Biol (Mosk). 2001. 35. 1001-1009.

35. Gerland U., Hwa T. On the selection and evolution of regulatory DNA motifs. J.Mol. Evol. 2002. V. 55. P.386-400.

36. Giacomini A., Squartini A. and Nuti M.P. Nucleotide sequence and analysis of plasmid pMD136 from Pediococcus pentosaceus FBB61 (ATCC43200) involved in pediocin A production. Plasmid. 2000. V. 43. N. 2. P. 111-122

37. Guder A., Wiedemann I., Sahl H.-G. Posttranslationally Modified Bacteriocins The Lantibiotics. Biopolymers (Peptide Science). 2000. V. 55. P. 62-73.

38. Jack R.W., TaggJ.R., and Ray B. Bacteriocins of Gram-Positive Bacteria. Microbiological Reviews. 1995. V. 59. N. 2. P. 171-200.

39. Hastings J.W., Sailer M., Johnson K, Roy K.L., Vederas J.C. and Stiles M.E. Characterization of leucocin A-UAL 187 and cloning of the bacteriocin gene from Leuconostoc gelidum. J. Bacteriol. 1991. V. 173. N. 23. P. 7491-7500.

40. Hechard Y., Berjeaud J.M. and Cenatiempo Y. Characterization of the mesB gene and expression of bacteriocins by leuconostoc mesenteroides YI05. Curr. Microbiol. 1999. V. 39. N. 5. P. 265-269.

41. Hertz G.Z., Hartzell G.W. 3rd, Stormo G.D. Identification of consensus patterns in unaligned DNA sequences known to be functionally related. Comput Appl Biosci. 1990. V. 6. N. 2. P. 81-92.

42. Hertz G.Z., Stormo G.D. Identifying DNA and protein patterns with statistically significant alignments of multiple sequences. Bioinformatics. 1999. V. 15. N. 7-8. P. 563-77.

43. Holo H., Jeknic Z., Daeschel M„ Stevanovic S., Nes I.F. Plantaricin W from Lactobacillus plantarum belongs to a new family of two-peptide lantibiotics. Microbiology. 2001. V. 147. N. 3. P. 643-51.

44. Holo H., Nilssen O., and Nes I. F. Lactococcin A, a new bacteriocin from Lactococcus lactis subsp. cremoris: isolation and characterization of the protein and its gene. J. Bacteriol. 1991. V. 173. P. 3879-3887.

45. Hynes W.L., Ferretti J.J. and Tagg J.R. Cloning of the gene encoding Streptococcin A-FF22, a novel lantibiotic produced by Streptococcus pyogenes, and determination of its nucleotide sequence. Appl. Environ. Microbiol. 1993. V. 59. N. 6. P. 1969-1971.

46. Jukes Т.Н. and Cantor C. Evolution of protein molecules. Mammalian Protein Metabolism. 1969. Acadenuc Press. P. 21-132.

47. Kaiser A.L., Montville T.J. Purification of the bacteriocin bavaricin MN and characterization of its mode of action against Listeria monocytogenes Scott A cells and lipid vesicles. // Appl Environ Microbiol. 1996. V. 62. N. 12. P. 4529-35

48. Kaletta C., Entian K.D. and Jung G. Prepeptide sequence of cinnamycin (Ro 09-0198): the first structural gene of a duramycin-type lantibiotic. Eur. J. Biochem. 1991. V. 199. N. 2. P. 411-415.

49. Kalmokoff M.L., Banerjee S.K., Cyr Т., Hefford MA, Gleeson T. Identification of a New Plasmid-Encoded sec-Dependent Bacteriocin Produced by Listeria innocua 743. Appl Environ Microbiol. 2001. V. 67. N. 9. P. 4041-4047

50. Kanatani K, Oshimura M„ and SanoK. Isolation and characterization of acidocin A and cloning of the bacteriocin gene from Lactobacillus acidophilus. Appl. Environ. Microbiol. 1995. V. 61. N. 3.P. 1061-1067.

51. Kanatani K., Tahara Т., Oshimura M., Sano K. and Umezawa C. Cloning and nucleotide sequence of the gene for acidocin 8912, a bacteriocin from Lactobacillus acidophilus TK8912. Lett. Appl. Microbiol. 1995. V. 21. N. 6. P. 384-386.63