Изучение эволюции регуляторных систем прокариот методами сравнительно-геномного анализа
Диссертация
Долгое время изучение регуляции транскрипции осуществлялось только лишь экспериментально. При этом исследования сосредотачивались, как правило, на транскрипции индивидуальных генов, что позволяло собрать массу необходимых сведений, но не давало полной картины регуляторных взаимодействий. Современные методы массового анализа, такие как метод микрочипов или иммунопреципитация хроматина, позволяют… Читать ещё >
Содержание
- Глава 1. Обзор литературы
- 1. 1. Общие принципы регуляции транскрипции бактерий
- 1. 1. 1. РНК-полимераза: структура и взаимодействие с промотором
- 1. 1. 2. Факторы транскрипции
- 1. 2. Современные методы сравнительной геномики
- 1. 2. 1. Предсказание функций генов на основе сравнения аминокислотных последовательностей
- 1. 2. 2. Кластеризация генов на хромосоме
- 1. 2. 3. Слияние генов
- 1. 2. 4. Профили встречаемости генов
- 1. 2. 5. Методы распознавания потенциальных регуляторных сайтов
- 1. 2. 6. Сравнительная геномика и изучение регуляции
- 1. 3. FruR (Cra) — регулятор центрального метаболизма
- 1. 4. Регуляция утилизации рибозы
- 1. 5. PurR — регулятор биосинтеза пуриновых нуклеотидов
- 1. 6. Глобальная регуляция генов дыхания
- 1. 6. 1. Общие принципы устройства дыхательных цепей бактерий
- 1. 6. 2. Особенности регуляции дыхания Е. col
- 1. 6. 3. Fnr: ответ на молекулярный кислород
- 1. 6. 4. Двукомпонентная система АгсВ-АгсА: ответ на окислительно-восстановительный статус хинонов
- 1. 6. 5. Регуляция нитрат-нитритного дыхания: двукомпонентные системы NarX
- 1. 1. Общие принципы регуляции транскрипции бактерий
- 2. 1. Общие принципы сравнительного подхода к регуляции
- 2. 2. Объект исследования и банки данных
- 2. 3. Программное обеспечение
- 3. 1. Изучение эволюции регуляторной системы
- 3. 2. Построение распознающего правила для поиска потенциальных сайтов связывания FruR
- 3. 3. Структура обобщенного FruR-регулона в исследованных геномах
- 3. 3. 1. Гены белков фосфотрансферазных систем
- 3. 3. 2. Гены ферментов центрального метаболизма
- 3. 3. 3. Гены белков дыхательных комплексов
- 3. 3. 4. Гены ферментов ассимиляции азота
- 3. 3. 5. Гены транспортных белков
- 3. 3. 6. Гены регуляторных белков
- 3. 4. Эволюция FruR-регулона
- 3. 5. Обсуждение и
- 4. 1. Изучение эволюции регуляторных систем
- 4. 2. Исследование RbsR-зависимой регуляции
- 4. 2. 1. Построение распознающего правила для поиска потенциальных сайтов связывания RbsR
- 4. 2. 2. Структура обобщенного RbsR-реглуона
- 4. 3. Исследование PurR-зависимой регуляции
- 4. 3. 1. Построение распознающего правила для поиска потенциальных сайтов связывания PurR
- 4. 3. 2. Структура обобщенного PurR-реглуона
- 4. 3. 2. 1. Синтез пуриновых нуклеотидов
- 4. 3. 2. 2. Синтез пиримидиновых нуклеотидов
- 4. 3. 2. 3. Метаболизм азота
- 4. 3. 2. 4. Метаболизм одноуглеродных фрагментов
- 4. 3. 2. 5. Транспортные белки
- 4. 3. 2. 6. Утилизация нуклеотидов и нуклеиновых кислот
- 4. 3. 2. 7. Центральный метаболизм
- 4. 3. 2. 8. Белки с неизвестной функцией
- 4. 3. 3. Таксон-специфические особенности PurR-регуляции
- 4. 4. Исследование регуляции в Pseudomonadales
- 4. 4. 1. Ген регуляторного белка из Pseudomonadales
- 4. 4. 2. Построение распознающего правила для поиска потенциальных сайтов
- 4. 4. 3. Структура обобщенного реглуона в Pseudomonadales
- 4. 5. Эволюция PurR- и RbsR-регулонов
- 4. 6. Обсуждение и
- Глава 5. Эволюция глобальной регуляции дыхания
- 5. 1. Эволюция регуляторных систем
- 5. 1. 1. Одно компонентная регуляторная система Fnr
- 5. 1. 2. Двукомпонентная система АгсВ-АгсА
- 5. 1. 3. Регуляция нитрат-нитритного дыхания: удвоенная двукомпонентная система
- 5. 2. Построение распознающих правил для поиска сайтов связыания регуляторов дыхания
- 5. 2. 1. Построение распознающего правила для поиска потенциальных сайтов связывания Fnr
- 5. 2. 2. Построение распознающего правила для поиска потенциальных сайтов связывания АгсА
- 5. 2. 3. Построение распознающего правила для поиска потенциальных сайтов связывания NarP
- 5. 3. Состав обобщенных Fnr-, АгсА- и NarP-регулонов
- 5. 3. 1. Белки дыхательных цепей
- 5. 3. 2. Биосинтез молибдоптеринового кофактора
- 5. 3. 3. Центральный метаболизм и брожение
- 5. 3. 4. Метаболизм углеводов
- 5. 3. 5. Метаболизм жирных кислот
- 5. 3. 6. Ответ на кислородный стресс
- 5. 3. 7. Нуклеотидредуктазы
- 5. 3. 8. Транспортные белки
- 5. 3. 9. Пептидазы
- 5. 3. 10. Регуляторы транскрипции
- 5. 4. Таксон-специфические особенности глобальной регуляции дыхания
- 5. 4. 1. Состав обобщенных регулонов в различных таксонах
- 5. 4. 2. Структура регуляторных каскадов в разных таксонах
- 5. 4. 3. Регуляция в отдельных таксонах
- 5. 5. Обсуждение и
Список литературы
- Kanehisa M., Goto S. KEGG: kyoto encyclopedia of genes and genomes. Nucleic Acids Res. 2000, 28, 1- 27−30.
- Kanehisa M., Goto S., Hattori M., Aoki-Kinoshita K.F., Itoh M., Kawashima S., Katayama Т., Araki M., Hirakawa M. From genomics to chemical genomics: new developments in KEGG. Nucleic Acids Res. 2006, 34- D354−357.
- Гельфанд M.C. Апология биоинформатики. Биофизика. 2005, 50, 4- 752−766.
- Altschul S.F., Madden T.L., Schaffer A.A., Zhang J., Zhang Z., Miller W., Lipman D.J. Gapped BLAST and PSI-BLAST: a new generation of protein database search programs. Nucleic Acids Res. 1997, 25, 17- 3389−3402 .
- Thompson J.D., Gibson T.J., Plewniak F., Jeanmougin F., Higgins D.G. The CLUSTALX windows interface: flexible strategies for multiple sequence alignment aided by quality analysis tools. Nucleic Acids Res. 1997, 25, 24- 4876−4882.
- Edgar R.C. MUSCLE: a multiple sequence alignment method with reduced time and space complexity. BMC Bioinformatics. 2004, 5- 113.
- Zuker M. Mfold web server for nucleic acid folding and hybridization prediction. Nucleic Acids Res. 2003, 31, 13- 3406−3415.
- Krogh A., Larsson В., von Heijne G., Sonnhammer E.L. Predicting transmembrane protein topology with a hidden Markov model: application to complete genomes. J. Mol. Biol. 2001,305, 3- 567−580.
- Darwin A.J., Li J., Stewart V. Analysis of nitrate regulatory protein NarL-binding sites in the fdnG and narG operon control regions of Escherichia coli K-12. Mol. Microbiol 1996, 20, 3- 621−632.
- He В., Choi K. Y., Zalkin H. Regulation of Escherichia coli glnB, prsA, and speA by the purine repressor. J. Bacteriol. 1993,175, 11- 3598−3606.
- He В., Shiau A., Choi K.Y., Zalkin H., Smith J.M. Genes of the Escherichia coli pur regulon are negatively controlled by a repressor-operator interaction. J. Bacteriol. 1990, 172, 8- 4555−4562.
- Melville S.B., Gunsalus R.P. Isolation of an oxygen-sensitive FNR protein of Escherichia coli: interaction at activator and repressor sites of FNR-controlled genes. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 1996, 93, 3- 1226−1231.
- Makarova K.S., Mironov A. A., Gelfand M.S. Conservation of the binding site for the arginine repressor in all bacterial lineages. Genome Biol. 2001, 2, 4- RESEARCH0013.
- Panina E.M., Vitreschak A.G., Mironov A.A., Gelfand M.S. Regulation of aromatic amino acid biosynthesis in gamma-proteobacteria. J. Mol. Microbiol. Biotechnol. 2001, 3, 4- 529 543.
- Panina E.M., Vitreschak A.G., Mironov A.A., Gelfand M.S. Regulation of biosynthesis and transport of aromatic amino acids in low-GC Gram-positive bacteria. FEMS Microbiol. Lett. 2003,222, 2- 211−220.
- 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, 28, 3- 695−705.
- Laikova O.N., Mironov A.A., Gelfand M.S. Computational analysis of the transcriptional regulation of pentose utilization systems in the gamma subdivision of Proteobacteria.
- FEMS Microbiol. Lett. 2001, 205, 2- 315−322.
- Rodionov D.A., Mironov A.A., Gelfand M.S. Transcriptional regulation of pentose utilisation systems in the Bacillus/CIostridium group of bacteria. FEMS Microbiol. Lett. 2001, 205, 2- 305−314.
- Permina E.A., Gelfand M.S. Heat shock (sigma32 and HrcA/CIRCE) regulons in beta-, gamma- and epsilon-proteobacteria. J. Mol. Microbiol. Biotechnol. 2003, 6, 3−4- 174−181.
- Permina E.A., Kazakov A.E., Kalinina O.V., Gelfand M.S. Comparative genomics of regulation of heavy metal resistance in Eubacteria. BMC Microbiol. 2006, 6- 49.
- Rodionov D.A., Dubchak I.L., Arkin A.P., Aim E.J., Gelfand M.S. Dissimilatory metabolism of nitrogen oxides in bacteria: comparative reconstruction of transcriptional networks. PLoS Comput. Biol. 2005,1, 5- e55.
- Kazakov A.E., Rodionov D.A., Aim E., Arkin A.P., Dubchak I., Gelfand M.S. Comparative genomics of regulation of fatty acid and branchcd-chain amino acid utilization in proteobacteria. J. Bacteriol. 2009,191, 1- 52−64.
- Rodionov D.A., Gelfand M.S., Todd J.D., Curson A.R., Johnston A.W. Computational reconstruction of iron- and manganese-responsive transcriptional networks in alpha-proteobacteria. PLoS Comput. Biol. 2006, 2, 12- el63.
- Gerasimova A.V., Gelfand M.S. Evolution of the NadR regulon in Enterobacteriaceae. J.
- Bioinform. Comput. Biol. 2005, 3, 4- 1007−1019.
- Rodionov D.A., De Ingeniis J., Mancini C., Cimadamore F., Zhang H., Osterman A.L., RafFaelli N. Transcriptional regulation of NAD metabolism in bacteria: NrtR family of Nudix-related regulators. Nucleic Acids Res. 2008, 36, 6- 2047−2059.
- Сычева JI.B., Пермина E.A., Гельфанд M.C. Таксон-специфичная регуляция SOS-ответа у гамма-протеобактерий. Мол. Биол. 2007, 41, 5- 908−917.
- Mazo’n G., Erill I., Campoy S., Corte’s P., Forano E., Barbe' J. Reconstruction of the evolutionary history of the LexA-binding sequence. Microbiology. 2004,150, 11- 37 833 795.
- Erill I., Jara M., Salvador N., Escribano M., Campoy S., Barbe' J. Differences in LexA regulon structure among Proteobacteria through in vivo assisted comparative genomics.
- Nucleic Acids Res. 2004, 32, 22- 6617−6626.
- Su Z., Olman V., Mao F., Xu Y. Comparative genomics analysis of NtcA regulons in cyanobacteria: regulation of nitrogen assimilation and its coupling to photosynthesis.
- Nucleic Acids Res. 2005, 33, 16- 5156−5171.
- Дорощук H.A., Гельфанд M.C., Родионов Д. А. Регуляция метаболизма азота у грамположительных бактерий. Мол. Биол. 2006, 40, 5- 919−926.
- Winkler W.C., Cohen-Chalamish S., Breaker R.R. An mRNA structure that controls gene expression by binding FMN. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2002, 99, 25- 15 908−15 913.
- Gelfand M.S., Mironov A.A., Jomantas J., Kozlov Y.I., Perumov D.A. A conserved RNA structure element involved in the regulation of bacterial riboflavin synthesis genes.
- Trends Genet. 1999,15, 11- 439−442.
- Vitreschak A.G., Rodionov D.A., Mironov A.A., Gelfand M.S. Regulation of riboflavin biosynthesis and transport genes in bacteria by transcriptional and translational attenuation. Nucleic Acids Res. 2002, 30, 14- 3141−3151.
- Rodionov D.A., Vitreschak A.G., Mironov A.A., Gelfand M.S. Comparative genomics of thiamin biosynthesis in procaryotes. New genes and regulatory mechanisms. J. Biol. Chem. 2002, 277, 50- 48 949−48 959.
- Vitreschak A.G., Rodionov D.A., Mironov A.A., Gelfand M.S. Regulation of the vitamin B12 metabolism and transport in bacteria by a conserved RNA structural element. RNA. 2003, 9, 9- 1084−1097.
- Rodionov D.A., Vitreschak A.G., Mironov A.A., Gelfand M.S. Comparative genomics of the methionine metabolism in Gram-positive bacteria: a variety of regulatory system.
- Nucleic Acids Res. 2004, 32, 11- 3340−3353.
- Rodionov D.A., Vitreschak A.G., Mironov A. A., Gelfand M.S. Regulation of lysine biosynthesis and transport genes in bacteria: yet another RNA riboswitch? Nucleic Acids Res. 2003,31, 23- 6748−6757.
- Conlan S., Lawrence C., McCue L.A. Rhodopseudomonas palustris regulons detected by cross-species analysis of alphaproteobacterial genomes. Appl. Environ. Microbiol. 2005, 71, 11- 7442−7452.
- Terai G., Takagi Т., Nakai K. Prediction of co-regulated genes in Bacillus subtilis on the basis of upstream elements conserved across three closely related species. Genome Biol. 2001,2, 11- RESEARCH0048.
- Alkema W.B., Lenhard В., Wasserman W.W. Regulog analysis: detection of conserved regulatory networks across bacteria: application to Staphylococcus aureus. Genome Res. 2004,14, 7- 1362−1373.
- Korzheva N., Mustaev A., Kozlov M., Malhotra A., Nikiforov V., Goldfarb A., Darst S.A. A structural model of transcription elongation. Science. 2000, 289, 5479- 619−625.
- Gourse R.L., Ross W., Gaal T. UPs and downs in bacterial transcription initiation: the role of the alpha subunit of RNA polymerase in promoter recognition. Mol. Microbiol. 2000, 37, 4- 687−695.
- Hampsey M. RNA polymerase comes into focus. Trends Genet. 2000,16, 1- 20.
- Browning D.F., Busby S.J. The regulation of bacterial transcription initiation. Nat. Rev. Microbial. 2004, 2, 1- 57−65.
- Ishihama A. Functional modulation of Escherichia coli RNA polymerase. Annu. Rev. Microbiol. 2000, 54- 499−518.
- Ross W., Ernst A., Gourse R.L. Fine structure of E. coli RNA polymerase-promoter interactions: alpha subunit binding to the UP element minor groove. Genes Dev. 2001, 15, 5- 491−506.
- Perez-Rueda E., Collado-Vides J. The repertoire of DNA-binding transcriptional regulators in Escherichia coli K-12. Nucleic Acids Res. 2000, 28, 8- 1838−1847.
- Babu M., Teichmann S.A. Evolution of transcription factors and the gene regulatory network in Escherichia coli. Nucleic Acids Res. 2003, 31, 4- 1234−1244.
- Martinez-Antonio A., Collado-Vides J. Identifying global regulators in transcriptional regulatory networks in bacteria. Curr. Opin. Microbiol. 2003, 6, 5- 482−489.
- Stover C.K., Pham X.Q., Erwin A.L., Mizoguchi S.D., Warrener P., Hickey M.J., Brinkman
- Moreno-Campuzano S., Janga S.C., Pe’rez-Rueda E. Identification and analysis of DNA-binding transcription factors in Bacillus subtilis and other Firmicutes~a genomic approach. BMC Genomics. 2006, 7- 147.
- Dobrindt U., Hacker J. Whole genome plasticity in pathogenic bacteria. Curr. Opin. Microbiol. 2001, 4, 5- 550−557.
- Lewis M. The lac repressor. C. R. Biol. 2005, 328, 6- 521−548.
- Hulett F.M., Lee J., Shi L., Sun G., Chesnut R., Sharkova E., Duggan M.F., Kapp N. Sequential action of two-component genetic switches regulates the PHO regulon in Bacillus subtilis. J. Bacteriol. 1994,176, 5- 1348−1358.
- Anthamatten D., Scherb В., Hennecke H. Characterization of a/Ix?Jr-regulated Bradyrliizobium japonicum gene sharing similarity with the Escherichia coli fnr and Rhizobium melilotifixK genes. J. Bacteriol. 1992,174, 7- 2111−2120.
- Kolb A., Busby S., Buc H., Garges S., Adhya S. Transcriptional regulation by cAMP and its receptor protein. Annual Review of Biochemistry. 1993, 62- 749−795.
- Kumar A., Grimes В., Fujita N., Makino K., Malloch R.A., Hayward R.S., Ishihama A. Role of the sigma 70 subunit of Escherichia coli RNA polymerase in transcription activation.
- J. Mol. Biol. 1994, 235, 2- 405−413.
- Chen P.R., He C. Selective recognition of metal ions by metalloregulatory proteins. Curr. Opin. Chem. Biol. 2008,12, 2- 214−221.
- Weickert M.J., Adhya S. The galactose regulon of Escherichia coli. Mol. Microbiol. 1993, 10, 2- 245−251.
- Shin M., Kang S., Hyun S.J., Fujita N., Ishihama A., Valentin-Hansen P., Choy H.E. Repression of deoP2 in Escherichia coli by CytR: conversion of a transcription activatorinto a repressor. EMBO J. 2001, 20, 19- 5392−5399.
- Rodionov D.A., Mironov A. A., Gelfand M.S. Conservation of the biotin regulon and the BirA regulatory signal in Eubacteria and Archaea. Genome Res. 2002,12, 10- 1507−1516.
- Panina E.M., Mironov A. A., Gelfand M.S. Comparative genomics of bacterial zinc regulons: enhanced ion transport, pathogenesis, and rearrangement of ribosomal proteins. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2003,100, 17- 9912−9917.
- Садовская H.C., Лайкова O.H., Миронов A.A., Гельфанд М. С. Изучение регуляции метаболизма длинноцепочечных жирных кислот с использованием компьютерного анализа полных бактериальных геномов. Мол. Биол. 2001, 35, 6- 1010−1014.
- Campbell J.W., Cronan J.E. Jr. The enigmatic Escherichia colifadE gene is yafH. J.
- Bacteriol. 2002,184, 13- 3759−3764.
- Rodionov D.A., Hebbeln P., Gelfand M.S., Eitinger T. Comparative and functional genomic analysis of prokaryotic nickel and cobalt uptake transporters: evidence for a novel group of ATP-binding cassette transporters. J. Bacteriol. 2006,188, 1- 317−327.
- Rutherford K., Parkhill J., Crook J., Horsnell Т., Rice P., Rajandream M.A., Barrell B. Artemis: sequence visualization and annotation. Bioinformatics. 2000,16, 10- 944−945.
- Fitch W.M. Distinguishing homologous from analogous proteins. Syst. Zool. 1970,19, 2- 99−113.
- Benson D.A., Boguski M.S., Lipman D.J., Ostell J., Ouellette B.F., Rapp B.A., Wheeler D.L. GenBank. Nucleic Acids Res. 1999,27, 1- 12−17.
- Emmert D.B., Stoehr P.J., Stoesser G., Cameron G.N. The European Bioinformatics Institute (EBI) databases. Nucleic Acids Res. 1994, 22, 17- 3445−3449.
- Boeckmann В., Blatter M.-C., Famiglietti L., Hinz U., Lane L., Roechert В., Bairoch A. Protein variety and functional diversity: Swiss-Prot annotation in its biological context. C. R. Biol. 2005, 328, 10−11- 882−899.
- Gasteiger E., Jung E., Bairoch A. SWISS-PROT: connecting biomolecular knowledge via a protein database. Curr. Issues Mol. Biol. 2001, 3, 3- 47−55.
- Koonin E.V., Galperin M. Y. Prokaryotic genomes: the emerging paradigm of genome80