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

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

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

Методы: филогенетический футпринтинг Регуляторные сайты выглядят как консервативные островки в выравниваниях 5-областей Пример: гены nrd у Yersinia+Erwinia, сайты связывания FNR, DnaA, NrdR

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

Рождение и исчезновение сайтов – очень динамический процесс Сайты связывания NadR перед геном pncB

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

Общий предок Enterobacteriales icdA aceA aceB aceEF pckA ppsApykF adhE gpmApgk tpiA gapA pfkA fbp Fructose fruKfruBA eda edd epd Glucose ptsHI-crr Mannose manXYZ mtlD mtlA Mannitol гамма-протеобактерии Enterobacteriales

Общий предок Escherichia and Salmonella icdA aceA aceB aceEF pckA ppsApykF adhE gpmApgk tpiA gapA pfkA fbp Fructose fruKfruBA eda edd epd Glucose ptsHI-crr Mannose manXYZ mtlD mtlA Mannitol гамма-протеобактерии Enterobacteriales E. coli и Salmonella spp.

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

Потеря регулятора и слияние регулонов По-видимому, laci-X существовал у общего предка (Klebsiella – внешний геном) Yersinia и Klebsiella: два регулона, GalR и Laci-X Erwinia: один регулон, GalR

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

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

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, Fe 2+, Fe 3+ ) хранение (ферритины и т.п.) железо-зависимые ферменты синтез гема синтез железо-серных кластеров Похоже в сенной палочке (Bacillus subtilis)

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 RirA Irr FeSheme RirA degraded Fur Fe Fur Iron uptak e systems Sideroph ore uptake Fe / Fe uptake Transcription factors 2+3+ Iron storage ferritins FeS synthesis Heme synthesis Iron-requiring enzymes [iron cofactor] IscR Irr [- Fe] [+Fe] [- Fe] [+Fe] [ Fe] - FeS FeS status of cell

Распре- деление факторов по геномам

Семейство FUR/MUR/Irr MBNC RB AGR C 620 RL mur Nwi 0013 RPA0450 BJ fur ROS Jann 1799 SPO2477 STM1w MED OB SKA Rsph ISM GOX0771 ZM01411 Saro Sala 1452 ELI1325 OA PB CC0057 Rrub Amb1009 Amb4460 SM mur MBNC BQ fur2 BMEI0375 Mesorhizobium sp. BNC1(I) Sinorhizobium meliloti Bartonella quintana Rhodopseudomonas palustris Bradyrhizobium japonicum Caulobacter crescentus Zmomonas mobilisy Rhodobacter sphaeroides Silicibacter sp. TM1040 Silicibacter pomeroyi Agrobacterium tumefaciens Rhizobium leguminosarum Brucella melitensis Mesorhizobium sp. BNC1(II) Rhodobacterales bacterium HTCC2654 Nitrobacter winogradskyi Nham 0990 Nitrobacter hamburgensis X14 Jannaschia sp. CC51 Roseovarius sp.217 Roseobacter sp. MED193 Oceanicola batsensis HTCC2597 Loktanella vestfoldensis SKA53 Roseovarius nubinhibens ISM Gluconobacter oxydans Erythrobacter litoralis Novosphingobium aromaticivorans Sphinopyxis alaskensis RB2256 Oceanicaulis alexandriiHTCC2633 Rhodospirillum rubrum Parvularcula bermudensisHTCC2503 Magnetospirillum magneticum (I) EE Sulfitobacter sp. EE-36 ECOLI PSEAE NEIMA HELPY BACSU Helicobacter pylori : sp|O25671 Bacillus subtilis: P54574sp| Neisseria meningitidis : sp|P0A0S7 Pseudomonas aeruginosa : sp|Q03456 Escherichia coli : P0A9A9sp| Fur Magnetospirillum magneticum (II) RHE_CH00378 Rhizobiumetli PU Pelagibacter ubique HTCC1002 MUR Irr FUR E.coli B.subtilis регуляция генов транспортеров Mn

Семейство RirA/NsrR (Rhizobiales)

Семейство IscR

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

Реконструкция истории регуляторной системы Appearance of the iron-Rhodo motif Frequent co-regulation with Irr Strict division of function with Irr

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 мотив узнаетс IscR: поддается прямой проверке

Мотивы ДНК и белок-ДНКовые взаимодействия CRPPurR IHFTrpR Энтропия в выравненных сайтах и количество контактов (тяжелые атомы в паре оснований на расстоянии

Детерминанты специфичности семейства LacI Обучение: 459 белков, средняя длина: 338 аа, 85 групп специфичности 10 остатков в контакте с эффектором 6 остатков – межсубъединичные контакты 7 остатков в контакте с оператором 7 в области контакта с эффектором (5Ǻ

Семейство факторов транскрипции CRP/FNR

Корреляция между нуклеотидами в мотиве и остатками в белке CooA в Desulfovibrio spp. CRP в гамма-протобактериях HcpR в Desulfovibrio spp. FNR в гамма-протобактериях 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 Контактирующие: REnnnR TG: 1й аргинин GA: глютамат и 2й аргинин

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

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

Кто это делал: 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