Сравнительная геномика и функциональная аннотация генов и геномов 24. III .2009 , ИМБ

1. Сравнительная геномика и функциональная аннотация генов и геномов24.III.2009, ИМБ М.С.Гельфанд

2. Экспоненциальный рост объема данных красный – статьи (PubMed) синий – последовательности (GenBank) зеленый – объем в нуклеотидах (GenBank) из 18 миллионов ссылок, ~675 тыс.отвечают на “bioinformat* OR comput*” 16 тыс. “bioinformat*”65 тыс. “bioinformat* OR computat*”

3. 622 полных генома (прокариот)

4. Цель аннотации • Что • функция • Когда • Регуляция • Экспрессии • Время жизни • Где • Локализация • Внутри/снаружи • Органеллы и компартменты • Как • Механизм • Специфичность, регуляция

5. Поиск похожих последовательностей с известными функциями

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

7. Перепредсказания SOURCE Methanococcus jannaschii. ORGANISM Methanococcus jannaschii Archaea; Euryarchaeota; Methanococcales; Methanococcaceae; Methanococcus. Now corrected: Hypothetical sodium-dependent transporter MJ1319. FEATURES Location/Qualifiers source 1..492 /organism="Methanococcus jannaschii" /db_xref="taxon:2190" Protein 1..492 /product="sodium-dependent noradrenaline transporter" CDS 1..492 /gene="MJ1319" /note="similar to EGAD:HI0736 percent identity: 38.5; identified by sequence similarity; putative" /coded_by="U67572:71..1549" /transl_table=11

8. Анекдоты • C75604:Probable head morphogenesis protein,Deinococcusradiodurans • Q8TID9:Benzodiazepine (valium) receptor TspO,Methanosarcina acetivorans • NP_069403:DR-beta chain MHC class II,Archaeoglobus fulgidus

9. Ошибки в экспериментальных статьях SwissProt: DEFINITION Hypothetical 43.6 kDa protein. ACCESSION P48012 ... KEYWORDS Hypothetical protein. SOURCE Debaryomyces occidentalis ORGANISM Debaryomyces occidentalis Eukaryota; Fungi; Ascomycota; Saccharomycotina; Saccharomycetes; Saccharomycetales; Saccharomycetaceae; Debaryomyces. [CAUTION] Was originally (Ref.1) thought to be 3-isopropylmalatedehydrogenase (LEU2). PIR: DEFINITION 3-isopropylmalate dehydrogenase (EC 1.1.1.85) - yeast(Schwanniomyces occidentalis). ACCESSION S55845 KEYWORDS oxidoreductase.

10. SwissProt:DSDX_ECOLI -!- CAUTION: An ORF called dsdC was originally (Ref.3) assigned to thewrong DNA strand and thought to be a D-serine deaminase activator,it was then resequenced by Ref.2 and still thought to be "dsdC",but this time to function as a D-serine permease. It is Ref.1 thatshowed that dsdC is another gene and that this sequence should becalled dsdX. It should also be noted that the C-terminal part ofdsdX (from 338 onward) was also sequenced (Ref.6 and Ref.7) andwas thought to be a separate ORF (don't worry, we also haddifficulties understanding what happened!).

11. SwissProt:DSDX_ECOLI -!- CAUTION: An ORF called dsdC was originally (Ref.3) assigned to thewrong DNA strand and thought to be a D-serine deaminase activator,it was then resequenced by Ref.2 and still thought to be "dsdC",but this time to function as a D-serine permease. It is Ref.1 thatshowed that dsdC is another gene and that this sequence should becalled dsdX. It should also be noted that the C-terminal part ofdsdX (from 338 onward) was also sequenced (Ref.6 and Ref.7) andwas thought to be a separate ORF (don't worry, we also haddifficulties understanding what happened!).

12. Другие источники информации (для предсказания чего-то нового) • Много геномов => можем использовать слабые соображения: • Ко-локализация (в геноме): позиционные кластеры • Ко-локализация (геномах):филогенетические паттерны • «Омики»: • Транскриптомика • Протеомика • Интерактомика

13. STRING: trpB – позицион-ные кластеры

14. STRING: trpB – филогене-тические паттерны

15. STRING: trpB summary

16. Новый универсальный фактор транскрипции

17. Консервативный мотив перед генами рибонуклеотид-редуктаз(nrd) в бактериальных геномах

18. Идентификация фактора транскрипции • Филогенетический паттерн: список геномов, в которых присутствует/отсутствует обнаруженный сигнал=> единственный ген с таким паттерном – ybaD(COG1327) • “макроуровень” – большие таксоны • “микроуровень” – в «смешанных» таксонах: • отсутствует в геномах паразитов в группахальфа- игамма-протеобактерий • отсутствует вDesulfovibrio spp. среди дельта-протеобактерий • отсутствует вNostoc sp. среди цианобактерий • отсутствует вOenococcusиLeuconostocсреди Firmicutes • присутствует только вTreponema denticolaсреди четырех спирохет • COG1327: Гипотетический регулятор транскрипции, содержащий домены цинковая лента (ДНК- и РНК-связывающий) и АТФ-конус

19. Bork, Koonin:YbaD=RibX,регулятор биосинтеза рибофлавина?

20. Состав регулона • ген nrdRиногда образует (потенциальные) опероны с генамиnrd genes или с генами репликацииdnaB, dnaI, polA • потенциальные сайты связывания NrdR обнаружены перед другими генами, связанными с репликацией: • топоизомераза I • инициатор репликацииdnaA • разделение (partitioning) хромосом • ДНК-хеликаза II • ре-утилизация (salvage) dNTP

21. Множественные сайты (гены nrd): FNR, DnaA, NrdR

22. Механизм регуляции • репрессор • сайты перекрываются спромоторами • кооперативное связывание: • >90% генов имеет парныесайты • расстояние между сайтами (центрами палиндромов) равно целому числу витков спирали ДНК • как правило (94%) 30-33 пн, в 84% случаев 31-32 пн – 3 витка • в Vibrio spp. 21 пн (2 витка) • в некоторых фирмикутах 41-42 пн (4 витка)

23. Экспериментальное подтверждение

24. Транспортеры • Два основных класса • АТФ-зависимые • Трансмембранный белок (пермеаза) • АТФаза • Субстрат-связывающий (периплазматический) белок • Вторичные (симпортеры, антипортеры) • Сложный эксперимент(по сравнению с ферментами) • Относительно легко идентифицировать • Сложно предсказать специфичность H+

25. Разнообразие специфичностей в семействе транспортеров никеля и олигопептидов (субстрат-связывающий белок NikA)

26. Семейство транспортеров кофакторов PnuC

27. Функциональный анализ транспортеров • Предсказание общей функции • гомология (сходство с известными транспортерами) • анализ трансмембранных сегментов • Отнесение к функциональной подсистеме (метаболическому пути) • ко-локализация • ко-регуляция • Предсказание специфичности • анализ филогенетического профиля • конечный продукт биосинтетического пути: присутствует в геномах, не имеющих пути (импорт заменяет биосинтез) • промежуточный продукт биосинтетического пути; может заменять часть пути «выше по течению» • исходный продукт катаболического или биосинтетического пути: не встречается в геномах, где этот путь отсутствует

28. Биосинтез рибофлавина

29. 5’-области генов синтеза рибофлавина

30. RFN, вторичная структура Capitals: invariant (absolutely conserved) positions. Lower case letters: strongly conserved positions. Dashes and stars: obligatory and facultative base pairs N: any nucleotide. X: any nucleotide or deletion

31. Регуляторный механизм Transcription attenuation Translation attenuation

32. YpaA/RibU: 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: естьypaA, нет генов биосинтеза рибофлавина => транспорт рибофлавина Предсказание: YpaA – рибофлавиновый транспортёр (Gelfand et al., 1999) Проверка: • генетический анализ(Кренева и др., 2000) • биохимический эксперимент (Burgess et al., 2006)

33. Биотиновый транспортер BioY • Идентификация: • ко-локализация • ко-регуляция • филогенетическиепаттерны • Дополнительныекомпоненты • АТФаза(?) bioM • Пермеаза(?) bioN

34. Предсказание и подтверждение

35. = thiN (confirmed) Transport of HET Transport of HMP (Gram-positive bacteria) (Gram-negative bacteria) Биосинтез тиамина

36. yuaJ(=thiT): транспортер тиамина • 6 предсказанных TM-сегментов • Регуляция РНК-переключателями THI • Streptococci: есть ThiT, нет тиаминового пути

37. ykoFEDC: АТФ-зависимый транспортер • Регуляция РНК-переключателями THI • Никогда не встречается в геномах, не имеющего тиаминового пути • Встречается только вместе с thiDиthiE • Иногда встречается в геномах безthiC

38. Co и Ni • ко-локализация (хромосомные локусы) • транспортеры Ni – с генами никель-зависимых ферментов • транспортеры Co – с генами синтеза кобаламина • ко-регуляция • транспортеры Ni – фактор транскрипции NikR • транспортеры Co – рибопереключатель В12

39. Структура локусов genes B12 riboswitch NikR binding site

40. Пять семейств транспортеров

41. + CbiN CbiM Ni2+ Co2+ NikM + NikN + NikL, NikK + NikL Новое семейство транспортеров Co и Ni

42. Дмитрий Родионов Thomas Eitinger

43. Предсказанные специфичности правильны Co Co Ni Ni Ni Co

44. Структура: слишком много компонентов

45. Биотиновый транспортер BioY • АТФаза BioM ~ CbiO = NikO • Пермеаза BioN ~ CbioQ = NikQ

46. Для транспорта достаточно компонент МN(АТФаза и пермеаза не обязательны – первый пример такого транспортера) cbiMNQO cbiMNQ cbiMN cbiM контроль

47. BioY тоже достаточно(даже в геномах, содержащих BioMN; у BioMNY более крутая кинетика

48. Вершина айсберга?