Эволюция регуляторных систем у бактерий

1. Эволюция регуляторных систем у бактерий М.С.Гельфанд Институт проблем передачи информации им. А.А.Харкевича РАН 40 лет журналу «Молекулярная биология» 25.4.2007

2. От эволюции генов и белков к эволюции геномов, метаболических и регуляторных систем ~1000 бактериальных геномов Проблема: как их анализировать? Возможности: • сравнительная геномика • Функциональная аннотация • Метаболическая реконструкция • Регуляторные системы • Новый уровень изучения эволюции

3. Сравнительная геномика регуляторных систем: задачи • Микроэволюция: динамика отдельных регуляторных сайтов • Ко-эволюция факторов транскрипции и узнаваемых ими мотивов в ДНК • Изменение специфичности регуляторов • Макроэволюция: • Расширение, сокращение, деление и слияние регулонов • Перекоммутация регуляторных каскадов • Смена регуляторных систем

4. Методы:филогенетический футпринтинг Регуляторные сайты выглядят как консервативные островки в выравниваниях 5’-областей Пример: гены nrdуYersinia+Erwinia, сайты связыванияFNR, DnaA, NrdR

5. Методы: проверка соответствия Истинные сайты систематически обнаруживаются перед ортологичными генами, ложные расположены случайно Пример: новый регулятор биотинового метаболизма альфа-протеобактерий BioR

6. Рождение и исчезновение сайтов – очень динамический процесс Сайты связывания NadR перед геномpncB

7. Mannose Glucose ptsHI-crr manXYZ edd epd eda adhE aceEF icdA pykF ppsA mtlD mtlA Mannitol pgk gpmA pckA gapA fbp pfkA aceA tpiA fruBA fruK Fructose aceB гамма-протеобактерии Расширение регулона: как FruR стал CRA проекция экспериментально известных сайтов E.coli на родственные геномы: что окажется консервативно?

8. Общий предок Enterobacteriales Mannose Glucose ptsHI-crr manXYZ edd epd eda adhE aceEF icdA pykF ppsA mtlD mtlA Mannitol pgk gpmA pckA gapA fbp pfkA aceA tpiA fruBA fruK Fructose aceB гамма-протеобактерии Enterobacteriales

9. Общий предокEscherichia and Salmonella Mannose Glucose ptsHI-crr manXYZ edd epd eda adhE aceEF icdA pykF ppsA mtlD mtlA Mannitol pgk gpmA pckA gapA fbp pfkA aceA tpiA fruBA fruK Fructose aceB гамма-протеобактерии Enterobacteriales E.coliиSalmonella spp.

10. Исчезновение регуляторов – тоже динамический процесс потеря RbsR уY. pestis (ABC-транспортер тоже утерян) RbsR binding site Start codon of rbsD

11. Потеря регулятора и слияние регулонов Yersinia иKlebsiella: два регулона, GalRиLaci-X Erwinia: один регулон, GalR По-видимому,laci-X существовалу общего предка (Klebsiella– внешний геном)

12. Изменение регулятора стрептококки, утилизация мальтозы/мальтодекстрина Замена:вторжение регулятора из другого подсемейства (горизонтальный перенос), с другим мотивом связывания

13. Дупликация регулятора (и изменение мотива?) – альфа-проетобактерия, утилизация мальтозы/трегалозы

14. Регуляция гомеостаза железа Железо: • необходимый кофактор (лимитирующий во многих экологических нишах) • опасно в больших концентрациях Кишечная палочка (E. coli): FUR, регуляция транскрипции в ответ на железо: • синтез сидерофоров • транспорт (сидерофоры, гем, Fe2+, Fe3+) • хранение (ферритины и т.п.) • железо-зависимые ферменты • синтез гема • синтез железо-серных кластеров Похоже в сенной палочке(Bacillus subtilis)

15. [+Fe] [+Fe] [- Fe] [ Fe] - Irr Irr RirA RirA FeS heme degraded 2+ 3+ S i d e r o p h o r e F e / F e I r o n - r e q u i r i n g I r o n s t o r a g e F e S H e m e T r a n s c r i p t i o n u p t a k e u p t a k e e n z y m e s f e r r i t i n s s y n t h e s i s s y n t h e s i s f a c t o r s I r o n u p t a k [ i r o n c o f a c t o r ] e s y s t e m s FeS status IscR Fur Fur of cell Fe FeS [- Fe] [+Fe] Регуляция гомеостаза железа у альфа- протеобактерий Эксперимент: FUR/MUR: Bradyrhizobium, Rhizobium and Sinorhizobium RirA (семейство Rrf2): Rhizobium and Sinorhizobium Irr (семейство FUR): Bradyrhizobium, Rhizobium and Brucella

16. Распре-деление факторов по геномам

17. Escherichia coli : P0A9A9 sp| ECOLI Fur Pseudomonas aeruginosa : sp|Q03456 PSEAE Neisseria meningitidis : sp|P0A0S7 NEIMA HELPY : sp|O25671 Helicobacter pylori BACSU Bacillus subtilis : P54574 sp| SM mur Sinorhizobium meliloti MBNC03003179 Mesorhizobium sp. BNC1 (I) BQ fur2 Bartonella quintana BMEI0375 Brucella melitensis EE36 12413 sp. EE-36 Sulfitobacter a MBNC03003593 sp. BNC1 (II) Mesorhizobium RB2654 19538 HTCC2654 Rhodobacterales bacterium AGR C 620 Agrobacterium tumefaciens RHE_CH00378 Rhizobium etli RL mur Rhizobium leguminosarum Nham 0990 Nitrobacter hamburgensis X14 Nwi 0013 Nitrobacter winogradskyi RPA0450 Rhodopseudomonas palustris BJ fur Bradyrhizobium japonicum ROS217 18337 Roseovarius sp.217 Jann 1799 Jannaschia sp. CC51 SPO2477 Silicibacter pomeroyi STM1w01000993 Silicibacter sp. TM1040 MED193 22541 sp. MED193 Roseobacter OB2597 02997 HTCC2597 Oceanicola batsensis SKA53 03101 Loktanella vestfoldensis SKA53 Rsph03000505 Rhodobacter sphaeroides ISM 15430 Roseovarius nubinhibens ISM PU1002 04436 Pelagibacter ubique HTCC1002 GOX0771 Gluconobacter oxydans ZM01411 Zmomonas mobilis y Saro02001148 Novosphingobium aromaticivorans Sala 1452 RB2256 Sphinopyxis alaskensis ELI1325 Erythrobacter litoralis OA2633 10204 Oceanicaulis alexandrii HTCC2633 PB2503 04877 Parvularcula bermudensis HTCC2503 CC0057 Caulobacter crescentus Rrub02001143 Rhodospirillum rubrum Amb1009 (I) Magnetospirillum magneticum Amb4460 Magnetospirillum magneticum (II) E.coli Семейство FUR/MUR/Irr B.subtilis регуляция генов транспортеров Mn MUR FUR Irr

18. Семейство RirA/NsrR (Rhizobiales)

19. Семейство IscR

20. Регуляция генов в функциональных подсистемах Rhizobiales Bradyrhizobiaceae Rhodobacteriales The Zoo (likely ancestral state)

21. Реконструкция истории регуляторной системы Frequent co-regulation with Irr Strict division of function with Irr Appearance of theiron-Rhodo motif

22. Все мотивы и одна очень привлекательная гипотеза: • Кросс-узнавание мотивов FUR и IscR в общем предке. • Когда FUR стал MUR, а IscR пропал у Rhizobiales, возникший RirA (из семейства Rrf2 с совсем другим общим консенсусным мотивом) «завладел» этими сайтами. • Iron-Rhodo мотивузнаетс IscR: поддается прямой проверке

23. Мотивы ДНК и белок-ДНКовые взаимодействия Энтропия в выравненных сайтахи количество контактов(тяжелые атомы в паре оснований на расстоянии <порога от атома белка) CRP PurR IHF TrpR

24. Детерминанты специфичности семейства LacI Обучение: 459 белков, средняя длина: 338 аа, 85 групп специфичности – 44 SDPs 10 остатков в контакте с эффектором 7 в области контакта с эффектором (5Ǻ<dmin<10Ǻ) 6 остатков – межсубъединичные контакты 5 в зоне межсубъединичного контакта (5Ǻ<dmin<10Ǻ) 7 остатков в контакте с оператором 6 в зоне контакта с оператором (5Ǻ<dmin<10Ǻ) LacI from E.coli

25. Семейство факторов транскрипции CRP/FNR

26. Корреляция между нуклеотидами в мотиве и остатками в белке • CooA вDesulfovibrio spp. • CRP в гамма-протобактериях • HcpR вDesulfovibrio spp. • FNR в гамма-протобактериях Контактирующие: REnnnR TG: 1йаргинин GA: глютамат и 2йаргинин DD COOA ALTTEQLSLHMGATRQTVSTLLNNLVR DV COOA ELTMEQLAGLVGTTRQTASTLLNDMIR EC CRP KITRQEIGQIVGCSRETVGRILKMLED YP CRP KXTRQEIGQIVGCSRETVGRILKMLED VC CRP KITRQEIGQIVGCSRETVGRILKMLEE DD HCPR DVSKSLLAGVLGTARETLSRALAKLVE DV HCPR DVTKGLLAGLLGTARETLSRCLSRMVE EC FNR TMTRGDIGNYLGLTVETISRLLGRFQK YP FNR TMTRGDIGNYLGLTVETISRLLGRFQK VC FNR TMTRGDIGNYLGLTVETISRLLGRFQK TGTCGGCnnGCCGACA TTGTGAnnnnnnTCACAA TTGTgAnnnnnnTcACAA TTGATnnnnATCAA

27. Эта кор-реляция сохра-няется и в других членах семейст-ва

28. Открытые проблемы • Моделирование эволюции регуляторных систем • каталог элементарных событий • механизмы • как рождаются сайты? • дупликации и горизонтальные переносы факторов и регулируемых оперонов • оценки вероятностей • общие свойства: • распределение размера семейств факторов транскрипции в геномах • геном-специфичные массовые дупликации («взрывы») и их причины • стабильные ядра и лабильные периферии регулонов: связь с метабооической картой • Коэволюция факторов транскрипции и мотивов ДНК: • Как эволюционируют мотивы? Что является движущей силой – мутации фактора? • код ДНК-белкового узнавания – свой для кадого семейства? Предсказние мотива по белку. Все это на фоне трудоемкого сбора (литература, массовые эксперименты) и порождения (сравнительная геномика) данных, их неполноты и неточности

29. А.А.Миронов (алгоритмы и программы) А.Б.Рахманинова (структуры белков) Дмитрий Родионов (BioR, NrdR, железо) Ольга Лайкова (LacI, сахара) Дмитрий Равчеев (FruR) Ольга Калинина (специфичность/LacI) Leonid Mirny, MIT (ДНК-белковые контакты, специфичность) Andy Johnston, University of East Anglia (железо) Howard Hughes Medical Institute РФФИ РАН, программа “Молекулярная и клеточная биология” INTAS Кто это делал: