Функциональная аннотация бактериальных геномов

Функциональная аннотация
бактериальных геномов
М.Гельфанд (ИППИ РАН)
Пятый съезд Общества биотехнологов России
3.11.2008
1
Функциональный анализ транспортеров
• Предсказание общей функции
– гомология
– 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
2
Рибопереключатель RFN:
регуляторный механизм
Transcription attenuation
Translation attenuation
3
YpaA/RibU: транспортёр рибофлавина
•
5 предсказанных ТМ-сегментов =>
потенциальный транспортёр
• регуляторный RFN-элемент => корегуляция с генами метаболизма
рибофлавина => транспорт
рибофлавина или предшественника
• S. pyogenes, E. faecalis, Listeria: есть
ypaA, 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)
4
Биотиновый
транспортер
BioY
5
Метаболическая реконструкция
тиаминового биосинтеза
= thiN (confirmed)
Transport of HMP
Transport of HET
(Gram-positive bacteria)
(Gram-negative bacteria)
6
yuaJ(=thiT):
тиаминовый
транспортер
(возможно, H+зависимый) в
фирмикутах
• 6 предсказанных трансмембранных сегментов
• Почти всегда регулируется THI-рибопереключателями
• Встречается в геномах, в которых отсутствует тиаминовый
путь (Streptococci);
• В B. cereus импорт тиамина сопряжен с током протонов
(Arch. Microbiol., 1977)
7
thiX-thiY-thiZ и
ykoF-ykoEykoD-ykoC:
предсказанные
АТФзависимые
транспортеры
HMP
• Почти всегда регулируются THI-рибопереключателями
• Не встречаются в геномах, в которых отсутствует
тиаминовый путь
• Всегда встречаются вместе с thiD и thiE
• В ряде геномов (Pasteurellacee, Brucella некоторые
фирмикуты) встречаются в отсутствие thiC
8
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
Add-I
g
aN
t
C
t Gg
cg
N R
N
N
P2 N
A
A
G
G
G
a
N
a
a
C
c
y
G
C d
c
P1 r
N
g k
c tG
y
G
h
C
c
G
C P3
h a
C
K
G
T
r
a
P4
r
A
G
Y
C
C
d
C
G M B12 box
k G
C g
A
C
BII
VS
P5 A
g c C
P6
Add-II
CTG
c gG
GGY
AG
A
The Bacillus/
Clostridium group
γ-proteobacteria
a g
P0
5'
BI
Facultative
stem-loop
3'
base stem
Other taxonomic groups
9
Пять семейств транспортеров
10
Новое семейство транспортеров Co и Ni
+ CbiN
CbiM
Ni2+
Co2+
NikM
+ NikN
+ NikL, NikK
+ NikL
11
Структура локусов
гены
B12-элемент
сайт связывания NikR
12
Структура
cbiO=NikO~bioM
cbiQ=NikQ~bioN
13
Проверка: тест на транспорт ионов
Co
Co
Ni
Ni
Ni
Co
14
Для транспорта достаточно компонент МN
(первый пример такого АВС-транспортера)
cbiMNQO
cbiMNQ
cbiMN
cbiM
контроль
15
Вспомним BioY.
Действительно, BioY достаточно;
у BioMNY более крутая кинетика
16
17
18
Экспериментальные подтверждения
рибофлавин
тиамин
фолат
19
•
Дмитрий Родионов
– регуляция транскрипции
– метаболическая реконструкция
– идентификация транспортеров
•
Алексей Витрещак
– рибопереключатели
•
Андрей Миронов
– программное обеспечение
•
•
•
•
Томас Хеббельн (Берлин) – Cо, Ni, биотин
Андрей Остерман (Сан Диего) – рибофлавин
Эндрю Хансон (Флорида) – тиамин
Дирк Слотблум (Гронинген) – фолат
•
•
•
•
Медицинский институт Ховарда Хьюза
INTAS
РФФИ
Программа «Молекулярная и клеточная биология» РАН
20