Биоинформатика, или молекулярная биология in silico

Пропаганда 1
красный: статьи
синий: последовательности

Анализ индивидуальных генов
Поиск родственных белков в банках последовательностей – перенос функции от гомологов
Функциональные сайты (каталитические центры)
Функциональные участки (трансмембранные сегменты, сигнальные пептиды и т.п.)

Анализ на уровне индивидуальных генов даёт возможность охарактеризовать 50-75% генов в новом геноме
Но:
~100 универсально отсутствующих генов (нет ни одного известного гена для известной функции)
множество функций, для которых неизвестны представители в больших таксонах
в каждом геноме ~5-10% консервативных генов с неизвестной функцией
трудно предсказывать специфичность в мультигенных семействах (транспортёры, факторы транскрипции)
нельзя найти что-то принципиально новое

Characterized
experimentally
“Hypothetical”
Function inferred
by similarity only
“Conserved
hypothetical”
How much do we know about the Escherichia coli proteome?

Пропаганда – 2 Полные геномы

Haemophilus influenzae, 1995

Vibrio cholerae, 2000

Сравнительно-геномные подходы
Positional clustering
Phylogenetic profiling
Gene fusions

Metabolic pathways

Functionally dependent genes tend to cluster on chromosomes in many different organisms

More genomes (stronger links)
=> highly significant clustering

… особенно в линейных путях (справа)

Распределение уровней связи
(бимодальное для изоферментов, монотонное для субъединиц)

Phyletic profiles in the Phe/Tyr pathway

Arithmetics of phyletic patterns
3-dehydroquinate dehydratase (EC 4.2.1.10):
Class I (AroD) COG0710 aompkzyq---lb-e----n---i--
Class II (AroQ) COG0757 ------y-vdr-bcefghs-uj----
Two forms combined aompkzyqvdrlbcefghsnuj-i--
+
5-enolpyruvylshikimate 3-phosphate synthase (EC 2.5.1.19) AroA COG0128 aompkzyqvdrlbcefghsnuj-i--
+
Shikimate dehydrogenase (EC 1.1.1.25):
AroE COG0169 aompkzyqvdrlbcefghsnuj-i--
Shikimate kinase (EC 2.7.1.71):
Typical (AroK) COG0703 ------yqvdrlbcefghsnuj-i--
Archaeal-type COG1685 aompkz--------------------
Two forms combined aompkzyqvdrlbcefghsnuj-i--
Chorismate synthase (EC 2.5.1.19) AroC COG0082 aompkzyqvdrlbcefghsnuj-i--

STRING: trpB – fusions

Утилизация пектина
E. chrysanthemi

… и транспорт олигогалактуронатов
E. chrysanthemi
Y. pestis
K. pneumoniae

YpaA: транспортёр рибофлавина
5 предсказанных ТМ-сегментов => потенциальный транспортёр
регуляторный RFN-элемент => ко-регуляция с генами метаболизма рибофлавина => транспорт рибофлавина или предшественника
S. pyogenes, E. faecalis, Listeria: есть ypaA, нет генов биосинтеза рибофлавина => транспорт рибофлавина
Предсказание:
YpaA – рибофлавиновый транспортёр (Gelfand et al., 1999)
Проверка:
YpaA переносит рибофлавин (генетический анализ, Кренева и др., 2000)
ypaA регулируется рибофлавином (анализ экспрессии на микрочипах, Lee et al., 2001; прямой эксперимент, Winkler et al., 2002).

Метаболическая реконструкция пути биосинтеза лизина: Идентификация пути ацетилированных интермедиатов в B. subtilis и родственных бактериях

Идентификация пути ацетилированных интермедиатов - 0
dapD (yquQ):
ортолог известного гена E. coli

Идентификация пути ацетилированных интермедиатов - 1
patA:
пиридоксаль-фосфат-зависимая аминотрансфераза (по гомологии)
ко-локализуется и ко-регулируется с генами биосинтеза лизина во многих грам-положительных бактериях

Идентификация пути ацетилированных интермедиатов - 2
ykuR:
N-ацил-L-аминокислота амидогидролаза (по гомологии)
ко-локализуется и ко-регулируется с геном биосинтеза лизина dapD во многих грам-положительных бактериях
в некоторых случаях принадлежит к большому лизиновому оперону, регулируемому LYS-элементом

Идентификация пути ацетилированных интермедиатов - 3
dapX:
dapF отсутствует у некоторых бактерий (Staphylococcus aureus, Oenococcus oeni, Leuconostoc mesenteroides)
во всех этих геномах есть dapX, гомологичный аланиновой рацемазе и другим эпимеразам
в S. aureus dapX принадлежит к большому лизиновому оперону
в O. oeni оперон dapX-asd регулируется LYS-элементом

Сравнительная геномика систем утилизации цинка
Две роли цинка в бактериях:
Структурная в ДНК-полимеразах, праймазах, рибосомных белках
Каталитическая в протеазах и других белках

Регуляторы и сигналы
nZUR-γ
nZUR-α
AdcR
pZUR
TTAACYRGTTAA
GATATGTTATAACATATC
GAAATGTTATANTATAACATTTC
GTAATGTAATAACATTAC
TAAATCGTAATNATTACGATTTA

Цинк и паралоги белков рибосом
nZUR
pZUR
AdcR

(в скобках – мотив «цинковая лента»)
nZUR
pZUR
AdcR

Сводка наблюдений:
Makarova-Ponomarev-Koonin, 2001:
L36, L33, L31, S14 – это единственные рибосомные белки, дуплицированные более, чем в одном геноме
L36, L33, L31, S14 – четыре из семи рибосомных белков, содержащих мотив цинковой ленты (четыре цистеина)
Из двух (или более) копий L36, L33, L31, S1, обычно одна содержит мотив цинковой ленты, а другая – нет
Среди генов, кодирующих паралоги рибосомных белков, как правило одни регулируется цинковым репрессором, а соответствующий белок никогда не имеет мотива цинковой ленты

Плохой сценарий
достаточно цинка
недостаточно цинка: весь цинк потреблен рибосомами, ферменты голодают

Хороший сценарий
достаточно цинка
недостаточно цинка: часть рибосом включает белки, не содержащие цинка – остается для ферментов

Регуляторный механизм
ribosomes
Zn-dependent
enzymes
R
Sufficient Zn
Zn starvation
R
repressor

Предсказание …
(Proc Natl Acad Sci U S A. 2003 Aug 19;100(17):9912-7.)
… и подтверждения
(Mol Microbiol.
2004 Apr;52(1):273-83.)

Регуляторная система «с нуля под ключ»
Консервативный сигнал перед генами рибонуклеотид-редуктаз
Потенциальный регулятор (через филогенетический паттерн + домены)

Другие члены регулона
Реутилизация дезоксирибонуклеотидов
Репликация (ДНК-лигазы, топоизомеразы, ДНК-полимеразы

Как регулируется: репрессия в результате кооперативного связывания