Цена доставки диссертации от 500 рублей 

Поиск:

Каталог / БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ / Биоинформатика

Изучение эволюции регуляторных систем прокариот методами сравнительно-геномного анализа

Диссертация

Автор: Равчеев, Дмитрий Андреевич

Заглавие: Изучение эволюции регуляторных систем прокариот методами сравнительно-геномного анализа

Справка об оригинале: Равчеев, Дмитрий Андреевич. Изучение эволюции регуляторных систем прокариот методами сравнительно-геномного анализа : диссертация ... кандидата биологических наук : 03.00.28 / Равчеев Дмитрий Андреевич; [Место защиты: Ин-т проблем передачи информации РАН] - Москва, 2009 - Количество страниц: 219 с. ил. Москва, 2009 219 c. :

Физическое описание: 219 стр.

Выходные данные: Москва, 2009






Содержание:

Введение
Глава 1 Обзор литературы
11 Общие принципы регуляции транскрипции бактерий
111 РНК-полимераза: структура и взаимодействие с промотором
112 Факторы транскрипции
12 Современные методы сравнительной геномики
121 Предсказание функций генов на основе сравнения аминокислотных последовательностей
122 Кластеризация генов на хромосоме
123 Слияние генов
124 Профили встречаемости генов
125 Методы распознавания потенциальных регуляторных сайтов
126 Сравнительная геномика и изучение регуляции
13 FruR (Cra) - регулятор центрального метаболизма
14 Регуляция утилизации рибозы
15 PurR — регулятор биосинтеза пуриновых нуклеотидов
16 Глобальная регуляция генов дыхания
161 Общие принципы устройства дыхательных цепей бактерий
162 Особенности регуляции дыхания Е coli
163 Fnr: ответ на молекулярный кислород
164 Двукомпонентная система АгсВ-АгсА: ответ на окислительно-восстановительный статус хинонов
165 Регуляция нитрат-нитритного дыхания: двукомпонентные системы NarX
NarL и NarQ-NarP
Глава 2 Материалы и методы
21 Общие принципы сравнительного подхода к регуляции
22 Объект исследования и банки данных
23 Программное обеспечение
Глава 3 Исследование эволюции обобщенного FruR (Сга)-регулона
31 Изучение эволюции регуляторной системы
32 Построение распознающего правила для поиска потенциальных сайтов связывания FruR
33 Структура обобщенного FruR-регулона в исследованных геномах
331 Гены белков фосфотрансферазных систем
332 Гены ферментов центрального метаболизма
333 Гены белков дыхательных комплексов
334 Гены ферментов ассимиляции азота
335 Гены транспортных белков
336 Гены регуляторных белков
34 Эволюция FruR-регулона
35 Обсуждение и выводы
Глава 4 Исследование эволюции обобщенных PurR- и RbsR-регулонов
41 Изучение эволюции регуляторных систем
42 Исследование RbsR-зависимой регуляции
421 Построение распознающего правила для поиска потенциальных сайтов связывания RbsR
422 Структура обобщенного RbsR-реглуона
43 Исследование PurR-зависимой регуляции
431 Построение распознающего правила для поиска потенциальных сайтов связывания PurR
432 Структура обобщенного PurR-реглуона
4321 Синтез пуриновых нуклеотидов
4322 Синтез пиримидиновых нуклеотидов
4323 Метаболизм азота
4324 Метаболизм одноуглеродных фрагментов
4325 Транспортные белки
4326 Утилизация нуклеотидов и нуклеиновых кислот
4327 Центральный метаболизм
4328 Белки с неизвестной функцией
433 Таксон-специфические особенности PurR-регуляции
44 Исследование регуляции в Pseudomonadales
441 Ген регуляторного белка из Pseudomonadales
442 Построение распознающего правила для поиска потенциальных сайтов
RbsR Pseudomonadales
443 Структура обобщенного реглуона в Pseudomonadales
45 Эволюция PurR- и RbsR-регулонов
46 Обсуждение и выводы
Глава 5 Эволюция глобальной регуляции дыхания
51 Эволюция регуляторных систем
511 Одно компонентная регуляторная система Fnr
512 Двукомпонентная система АгсВ-АгсА
513 Регуляция нитрат-нитритного дыхания: удвоенная двукомпонентная система
NarX-NarL и NarQ-NarP
52 Построение распознающих правил для поиска сайтов связыания регуляторов дыхания
521 Построение распознающего правила для поиска потенциальных сайтов связывания Fnr
522 Построение распознающего правила для поиска потенциальных сайтов связывания АгсА
523 Построение распознающего правила для поиска потенциальных сайтов связывания NarP
53 Состав обобщенных Fnr-, АгсА- и NarP-регулонов
531 Белки дыхательных цепей
532 Биосинтез молибдоптеринового кофактора
533 Центральный метаболизм и брожение
534 Метаболизм углеводов
535 Метаболизм жирных кислот
536 Ответ на кислородный стресс
537 Нуклеотидредуктазы
538 Транспортные белки
539 Пептидазы
5310 Регуляторы транскрипции
54 Таксон-специфические особенности глобальной регуляции дыхания
541 Состав обобщенных регулонов в различных таксонах
542 Структура регуляторных каскадов в разных таксонах
543 Регуляция в отдельных таксонах
55 Обсуждение и выводы
Выводы

Введение:
Бактерии известны своей способностью приспосабливаться к различным условиям и занимать самые разнообразные экологические ниши. Подобная приспособляемость достигается за счет способности достаточно быстро отвечать на изменение окружающих условий и физиологического состояния клетки, чему микроорганизмы обязаны системе регуляции экспрессии собственных генов. Подобная регуляция осуществляется сразу на многих уровнях: транскрипции, трансляции, ковалентной модификации белков и аллостерической регуляции. Если аллостерическая регуляция позволяет быстро среагировать на резко меняющиеся условия существования, то в основе более эффективного использования имеющихся ресурсов лежит регуляция экспрессии генов на уровне транскрипции. Такая регуляция осуществляется с участием как необходимых компонентов транскрипции, так и дополнительных белков, называемых факторами транскрипции. В настоящее время в молекулярной биологии и смежных областях преобладает мнение, что для жизни микроорганизмов важны не только собственно гены, содержащиеся в геноме, но и профили их регуляции. Именно регуляция позволяет эффективно использовать имеющиеся гены в зависимости от потребностей клетки. В виду столь высокой роли регуляции в жизни микроорганизмов, исследование регуляции в различных бактериях и сравнительный анализ последних позволяют сделать выводы об эволюции как отдельных функциональных систем клетки, так и организмов в целом.
Долгое время изучение регуляции транскрипции осуществлялось только лишь экспериментально. При этом исследования сосредотачивались, как правило, на транскрипции индивидуальных генов, что позволяло собрать массу необходимых сведений, но не давало полной картины регуляторных взаимодействий. Современные методы массового анализа, такие как метод микрочипов или иммунопреципитация хроматина, позволяют исследовать экспрессию сотен и даже тысяч генов, но имеют массу существенных недостатков. Во-первых, для данных методов характерен относительно высокий уровень шума, а во-вторых, благодаря им можно получить лишь косвенные подтверждения регуляции, такие как влияние мутации в гене белка регулятора на уровень экспрессии гена или связывание белка с регуляторной областью.
В последний десяток лет в руках исследователей появился новый мощный инструмент для изучения регуляции, в особенности, у бактерий - методы сравнительного анализа последовательностей геномов. Его использованию способствуют высокие темпы роста количества бактериальных геномов с известной полной последовательностью. В 1995 году впервые была опубликована полная последовательность бактериального генома — это был геном облигатного паразита, возбудителя менингита, хронического бронхита и других болезней, Haemophilus influenzae Rd KW20 [1]. С тех пор определение полной последовательности (секвенирование) геномов стало происходить нарастающими темпами, превратившись в настоящее время в широко развитую индустрию. Так, в базе данных KEGG ([2, 3]) к концу 2008-го года насчитывалось 740 последовательностей полных геномов, причем только за один 2008-й год появилось 167 новых последовательностей. При этом растет и количество геномов, относящихся к одной таксономической группе, часто даже таксонов такого низкого ранга, как вид. Так, к концу 2008-го года известны последовательности геномов 16 штаммов Escherichia coli. Понятно, что для анализа такого количества геномов недостаточно одних лишь экспериментальных методов, и необходимо использование биоинформатических подходов.
Здесь следует остановиться на взаимоотношениях биоинформатики и экспериментальной молекулярной биологии. Биоинформатика, как наука, изучающая последовательности нуклеиновых кислот и белков [4], получает от молекулярной биологии собственно последовательность, и, зачастую, ее аннотацию — описание функций определенных участков последовательности. Однако, непрерывный рост полных последовательностей геномов делает невозможной экспериментальную аннотацию всех последовательностей. Поэтому в настоящее время большинство функционально значимых участков последовательностей аннотируются именно методами биоинформатики. Этими методами можно получить информацию о таких функционально значимых участках, как гены, регуляторные сайты, белковые мотивы и других.
В настоящее время аннотация новых геномных последовательностей как правило осуществляется практически исключительно биоинформатическими методами. Большую популярность среди биологов получили такие программы, как BLAST [5] для сравнения последовательностей, CLUSTAL [6] и MUSCLE [7] для множественного выравнивания и выделения функциональных участков, Mfold [8] для предсказания вторичной структуры РНК, ТМНММ [9] для идентификации трансмембранных сегментов в белках и другие.
Что касается изучения регуляции методами биоинформатики, то основной ее задачей является выявление последовательностей, ответственных за регуляцию генов: промоторов и терминаторов транскрипции, сайтов связывания регуляторных белков, последовательностей потенциальных белков-регуляторов. В настоящее время изучение регуляции методами биоинформатики распространено крайне широко, и зачастую используется самими экспериментальными биологами, в качестве предварительного исследования или дополнения к эксперименту [10-14].
В настоящее время активно используется и изучение регуляции исключительно методами биоинформатики, без привлечения эксперимента. Наиболее достоверные результаты при этом дают методы, основанные на сравнении нескольких геномных последовательностей. Так, была успешно исследована регуляция биосинтеза аргинина [15] и ароматических аминокислот [16, 17], биосинтеза пуринов, ароматических аминокислот и фиксации азота в археях ([18]), метаболизма углеводов [19, 20] ответа на тепловой шок [21] и устойчивости к ионам тяжелых металлов [22]. В последнее время в практику вошло исследование сразу нескольких функционально близких регуляторных систем. Такой подход хорошо зарекомендовал себя в случаях анализа регуляции метаболизма оксидов азота [23] и жирных кислот [24] и гомеостаза железа и марганца [25]. Также была прослежена эволюция регуляции биосинтеза НАД в протеобактериях [26, 27], группе Bacillus/Clostridium, типе Fusobacteria и порядке Thermotogales [28] и LexA-зависимой регуляция SOS-ответа в различных группах бактерий [29-31]. Исследована регуляция азотфиксации в цианобактериях [32] и Firmicutes [33].
Целый ряд исследований посвящен РНК-регуляции. Так, методами биоинформатики изучены РНК-переключатели, регулирующие биосинтез рибофлавина [34-36]), синтез тиамина [37], синтез кобаламина [38], биосинтез метионина и метаболизм S-аденозил метионина [39] и биосинтез, транспорт и катаболизм лизина [40].
В некоторых исследованиях проведен массовый анализ регуляции методами сравнительной геномики. Например, были исследованы сразу 101 регулон для Rhodopseudomonas palustris и родственных альфа-протеобактерий [41], 188 регулонов для трех геномов Bacillus [42] и 125 регулонов для Staphylococcus aureus и других Bacillales [43].
В настоящей работе была прослежена эволюция нескольких регуляторных систем в группе гамма-протеобактерий. Таковыми являются регулятор центрального метаболизма FruR (Сга), гомологичные регуляторы биосинтеза пуриновых нуклеотидов и утилизации рибозы, соответственно PurR и RbsR, и глобальные регуляторы дыхания, Fnr, АгсА и NarP.