Герасимова А.В., Равчеев Д.А., Гельфанд М.С., Рахманинова А.Б.

1. 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

2. 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

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

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

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

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

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

8. Многообразие дыхательных цепейбактерий на примереEscherichia coli Доноры электронов Акцепторы электронов Дегидрогеназы Хиноны Редуктазы

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

10. Регуляция с помощью белка FNR O2 O2

11. Регуляция с помощью белка ArcA O2 O2

12. Регуляция с помощью белков NarL и NarP NO3 NO3

13. Ответ на нитрат и нитрит вEscherichia coli Эффектор : Сенсор : Регулятор : ctgTACCCATaaaaactaATGGGTAtca aTACCCATctgaaaaactacTACCCATg actgaaaaaTACCCATctaatccctatg . . . . . . . . . . actgaaaTACCCATaaATGGGTAtaatc Сайт :

14. Сайт связывания белка FNR инвертированный повтор Ссылка : 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.

15. Сайт связывания белка ArcA Получен с помощью программыSeSiMCMC Ссылки : 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] 2.http://favorov.hole.ru/gibbslfm/

16. Филогенетическое дерево белков NarL и NarP NarL NarP

17. Филогенетическое дерево белков NarL и NarP NarL NarP

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

19. Гамма-протеобактерии, содержащие только NarP Семейство Enterobacteriaceae Семейство Pasteurellaceae Семейство Vibrionaceae

20. Результаты работы Авторегуляция и регуляторные каскады Escherichia coli

21. Результаты работы Авторегуляция и регуляторные каскады Yersinia pestis,Yersinia entercolitica

22. Результаты работы Авторегуляция и регуляторные каскады Haemophilus influenzae,Pasteurella multocida, Actinobacillus actinomycetemcomitans

23. Результаты работы Авторегуляция и регуляторные каскады Haemophilus ducreyi, Vibrio fischeri,Vibrio cholerae, Vibriovulnificus,Vibrioparahaemolyticus

24. Результаты работы NarP - регулон 1. Включает все гены, регулируемые вEscherichia coli двойной системойNarL + NarP 2. Ядро регулона :

25. Результаты работы Новые члены регулонов Yersinia pestis, Haemophilus influenzae, Actinobacillus actinomycetemcomitans, Haemophilus ducreyi, Vibrio cholerae, Vibriovulnificus, Vibrioparahaemolyticus, Vibrio fischeri FNR, ArcA, NarP FNR, ArcA Yersinia entercolitica FNR Pasteurella multocida

26. Гомологии НЕТ ! Результаты работы Новые члены регулонов Рассмотренные геномы Escherichia coli Yersinia pestisFnr ArcA — Yersinia entercoliticaFnr — — Pasteurella multocidaFnr ArcA NarP Actinobacillus actinomycetemcomitans — ArcA NarP Haemophilus influenzae Fnr ArcA — Haemophilus ducreyiFnr ArcA NarP Vibrio vulnificus— ArcA — Vibrio parahaemolyticus— ArcA — Vibrio cholerae Fnr ArcA — Vibrio fischeri— ArcA —

27. Результаты работы Новые члены регулонов Оперон синтеза молибден-содержащего кофактора Yersinia pestisFnr — — Yersinia entercoliticaFnr ArcA — Pasteurella multocidaFnr ArcA — Actinobacillus actinomycetemcomitans Fnr—NarP Haemophilus influenzae Fnr—NarP Haemophilus ducreyiFnr ArcA NarP Vibrio vulnificus——NarP Vibrio parahaemolyticus——NarP Vibrio cholerae ——NarP Vibrio fischeri— ArcA NarP

28. Выводы • Впервые проведено комплексное исследование регуляторных систем, различных по структуре, но контролирующих близкие биологические процессы. • Разработана и реализована методика выявления семейство-специфичной регуляции. • Созданы распознающие правила для поиска сайтов связывания белков ArcA и NarP. • Найдены новые потенциальные члены рассмотренных регулонов. • Предсказан ряд регуляторных каскадов, показано изменение иерархии регуляторов в ходе эволюции.

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.