Эволюция положения гена фактора транскрипции семейства

Эволюция положения гена фактора транскрипции семейства LacI
относительно соседнего регулируемого оперона
Червонцева З.С.
ФББ МГУ
[email protected]
База данных по регуляторам LacI-семейства
(LACI DB) была любезно предоставлена
О.Лайковой.
Затем в нашей группе данные LACI DB были
картированы на геномы БД Refseq NCBI
(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/projects/RefSeq/). В
итоге получены достоверные данные для 1299
регуляторов.
Также в нашей
группе были построены
выравнивание и филогенетическое дерево
транскрипционных регуляторов из LACI DB. В
данной работе использовано выравнивание ДНКсвязывающих доменов.
Аннотация
Настоящая работа посвящена изучению
процесса
эволюции
колокализации
гена
транскрипционного
фактора
(ТФ)
и
регулируемого им соседнего оперона. Работа
основана на предположении о том, что
филогенетическое дерево, построенное по ДНКсвязывающим доменам регуляторов, достаточно
адекватно отражает процесс эволюции локуса,
содержащего ген ТФ и соседний к нему сайт
связывания.
Задачей
настоящей
работы
является
вычисление
матриц
переходов
состояний, где под состоянием понимается
структура локуса, содержащего ген регулятора
и соседние к нему сайты связывания.
2.2 Вычисление матрицы вероятностей
переходов состояний
Все рассматриваемые регуляторы семейства
LacI
были
классифицированы
по
типу
саморегуляции (3 различных состояния) и по
тому, как располагаются ген транскрипционного
фактора (ТФ) и соседний регулируемый оперон
на цепях ДНК (4 различных состояния).
Классификация по типу саморегуляции:
авторегулируемым был назван ген ТФ, имеющий
свой сайт связывания ТФ непосредственно перед
самим геном; скрыто авторегулируемым был
назван ген ТФ, входящий в оперон, перед
которым
есть
сайт
его
связывания;
неавторегулируемым был назван ген ТФ, не
имеющий сайта связывания перед содержащим
его опероном.
Классификация по взаимному расположению
гена ТФ и регулируемого оперона на цепях ДНК:
синглетом
был
назван
ген
регулятора,
являющийся транскрипционной единицей, в
ближайшем
окружении
которого
нет
регулируемых генов; однонаправленным было
названо состояние, в котором ген регулятора и
регулируемый оперон находятся на одной цепи
ДНК; разнонаправленным считалось состояние, в
котором ген регулятора и регулируемый оперон
находятся на разных цепях; двунаправленным
1. Введение
Известно, что гены прокариотических
транскрипционных факторов часто расположены
на
бактериальной
хромосоме
рядом
с
регулируемым опероном. В первую очередь, это
справедливо
для
локальных
регуляторов.
Считается, что такое расположение обеспечивает
быстрый поиск транскрипционным фактором
своего сайта связывания [1].
Ранее в нашей группе была собрана большая
коллекция регуляторов LACI-семейства, их
сайтов и регулируемых генов, LACI-DB. В этой
БД 75% регуляторов описаны как строго
локальные, т.е имеющие один регулируемый
оперон. И еще примерно для 20% регуляторов
описаны от 2 до 4-х регулируемых оперонов.
Таким образом, подавляющее большинство
регуляторов этого семейства – локальные
регуляторы.
2. Материалы и методы
2.l. Изучаемая выборка
59
считалось состояние, в котором у регулятора есть
2 соседних регулируемых оперона и нет
оснований предпочесть одного из них.
Рассматриваемые состояния из каждого
набора
были
нанесены
на
дерево
транскрипционных факторов. Далее, исходя из
предположения, что каждое изменение состояния
является однородным по времени марковским
процессом,
путем
оптимизации
функции
правдоподобия дерева были восстановлены
оптимальные матрицы переходов для каждого
набора состояний.
Был проведен «джекнайф»-анализ полученных
результатов на устойчивость по отношению ко
входным данным.
этого были проанализированы различия
равновесных распределений, соответствующих
полученным матрицам, с реально наблюдаемыми.
Для первого набора состояний это позволило
сделать предположение о состоянии в корне.
4. Выводы
1. Были
разработаны
инструменты,
позволяющие по филогенетическому дереву
последовательностей и списку состояний его
листьев, восстановить матрицы вероятностей
переходов состояний и состояния в корне.
Подход был использован для изучения
эволюции
некоторых
свойств
транскрипционных факторов LACI-семейства.
3. Результаты
2. Было
выяснено,
что
наблюдаемое
распределение состояний регуляторов, повидимому, мало зависят от распределения
состояний их общего предка (распределение в
корне).
В настоящей работе исследована эволюция
следующих свойств LACI-регуляторов:
1. тип авторегуляции (есть ли сайт
непосредственно перед геном ТФ или
перед опероном, в котором этот ген
расположен, т.е. возможен какой-либо
способ авторегуляции или нет);
2. взаимное расположение гена ТФ и
соседнего регулируемого оперона на
цепях ДНК.
Для набора состояний, описывающих типы
саморегуляци, была получена следующая
матрица переходов:
0,9984 0,0015 0,0001
0,0006 0,9988 0,0006 , где
0,0008 0,0010 0,9982
на месте (i,j) стоит вероятность перейти из
состояния i в состояние j. Состоянию скрытой
авторегуляции был присвоен номер 1, состоянию
отсутствия авторегуляции — номер 2, прямой
авторегуляции — номер 3.
Для набора состояний, описывающих
взаимное расположение гена ТФ и регулируемого
оперона на цепях ДНК была получена следующая
матрица переходов:
0,988594 0,00194 0,00483 0,00463
0,00164 0,99723 0,00002 0,00111
,
0,00990 0,00004 0,99884 0,00013
0,00058 0,00001 0,00019 0,99922
где цифрами от 1 до 4 были обозначены
соответственно состояния кластера гена ТФ и
соседней мишени: синглет, двунаправленное,
разнонаправленное и однонаправленное.
При помощи статистического анализа были
выделены значимые закономерности. Помимо


3. С
помощью
разработанного
подхода
исследовано
свойство
LACI-регулятора
находиться под собственной регуляцией.
Анализ полученных матриц переходов
показал:
• состояние
отсутствия
авторегуляции
наиболее
консервативно,
состояние
скрытой авторегуляции консервативно в
несколько меньшей степени, и меньше
всего консервативно состояние прямой
авторегуляции;
• вероятность потерять сайт связывания
перед геном регулятора велика, а
вероятность его приобрести мала;
• сравнение равновесного распределения
состояний
с
текущим
позволяет
предложить два возможных объяснения
наблюдаемых
результатов:
либо
предковое состояние LACI-регулятора —
это состояние авторегуляции, а в процессе
эволюции семейства возможны события
практически необратимой потери сайта
перед геном регулятора; либо независимо
от состояния в корне генетическая
рекомбинация все время разрушает сайты
перед геном регулятора, а давление
естественного отбора направлено на
поддержание авторегуляции, т.е. на
сохранение сайта перед геном регулятора.
4. Была исследована эволюция свойства гена
LACI-регулятора находиться на одной или на


60
разных цепях с регулируемым опероном.
Было показно:
• рассматриваемое свойство консервативно;
• состояние, когда ген регулятора и ген
мишени
сонаправлены,
более
консервативно,
чем
когда
они
разнонаправлены; состояние одиночного
регулятора наименее консервативно;
• наиболее
вероятным
событием,
не
сохраняющим исследуемое свойство,
является переход одиночного регулятора в
регулятор с ближайшим регулируемым
опероном на другой цепи;
• вторым по вероятности событием, не
сохраняющим исследуемое свойство,
является
событие
приобретения
регулятором регулируемого оперона на
той же цепи;
• наиболее маловероятным является переход
в состояние с двумя ближайшими
регулируемыми оперонами из состояния
сонаправленности;
• состояния
двунаправленности
и
разнонаправленности
очень
редко
переходят друг в друга;
• одиночный регулятор чаще приобретает
один регулируемый оперон, чем сразу два.
5. Благодарности
Работа выполнена под руководством к.б.н.
А.Б.Рахманиновой, д.б.н., проф. А.А.Миронова и
д.б.н., проф. М.С.Гельфанда.
6. Список литературы
[1] Kolesov G, Wunderlich Z, Laikova ON, Gelfand MS,
Mirny LA. How gene order is influenced by the
biophysics of transcription regulation. Proc Natl Acad
Sci U S A. 2007 Aug 28;104(35):13948-53.
[2] Koonin EV, Wolf YI. Genomics of bacteria and
archaea: the emerging dynamic view of the prokaryotic
world. Nucleic Acids Res. 2008 Dec;36(21):6688-719.
[3] Rocha EP. The organization of the bacterial genome.
Annu Rev Genet. 2008;42:211-33.
[4] Lawrence JG, Hendrickson H. Genome evolution in
bacteria: order beneath chaos. Curr Opin Microbiol.
2005 Oct;8(5):572-8.
[5] Price MN, Arkin AP, Alm EJ. The life-cycle of
operons. PLoS Genet. 2006 Jun;2(6):e96. Epub 2006
Jun 23. Erratum in: PLoS Genet. 2006 Jul;2(7):e126.
[6] Lathe WC 3rd, Snel B, Bork P. Gene context
conservation of a higher order than operons. Trends
Biochem Sci. 2000 Oct;25(10):474-9.
61