Эволюция регуляторных систем у бактерий

Эволюция регуляторных
систем у бактерий
М.С.Гельфанд
Институт проблем передачи информации им.
А.А.Харкевича РАН
40 лет журналу «Молекулярная биология»
25.4.2007
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 альфапротеобактерий BioR
Рождение и исчезновение сайтов – очень
динамический процесс
Сайты связывания NadR перед геном pncB
Расширение регулона: как FruR стал CRA
Mannose
Glucose
manXYZ
ptsHI-crr
edd
epd
eda
adhE
aceEF
Mannitol
mtlA
gapA
fbp
Fructose
pykF
mtlD
fruBA
fruK
pfkA
pgk
gpmA
icdA
ppsA
pckA
aceA
tpiA
aceB
гамма-протеобактерии
проекция экспериментально известных сайтов E.coli на
родственные геномы: что окажется консервативно?
Общий предок Enterobacteriales
Mannose
Glucose
manXYZ
ptsHI-crr
edd
epd
eda
adhE
aceEF
Mannitol
mtlA
gapA
fbp
Fructose
pykF
mtlD
fruBA
fruK
pfkA
pgk
gpmA
icdA
ppsA
pckA
aceA
tpiA
aceB
гамма-протеобактерии
Enterobacteriales
Общий предок Escherichia and Salmonella
Mannose
Glucose
manXYZ
ptsHI-crr
edd
epd
eda
adhE
aceEF
Mannitol
mtlA
gapA
fbp
Fructose
pykF
mtlD
fruBA
fruK
pfkA
pgk
gpmA
icdA
ppsA
pckA
aceA
tpiA
aceB
гамма-протеобактерии
Enterobacteriales
E. coli и Salmonella spp.
Исчезновение регуляторов
– тоже динамический процесс
потеря RbsR у Y. pestis
(ABC-транспортер тоже
утерян)
RbsR binding site
Start codon of rbsD
Потеря регулятора и слияние регулонов
Yersinia и Klebsiella: два регулона, GalR и Laci-X
Erwinia: один регулон, GalR
По-видимому, laci-X существовал у
общего предка (Klebsiella – внешний
геном)
Изменение регулятора
стрептококки, утилизация мальтозы/мальтодекстрина
Замена: вторжение регулятора из другого
подсемейства (горизонтальный перенос), с
другим мотивом связывания
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, Fe2+, Fe3+)
• 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
[- Fe]
[+Fe]
[ - Fe]
[+Fe]
RirA
RirA
Irr
Irr
FeS
heme
degraded
Siderophore
uptake
2+
3+
Fe / Fe
uptake
Iron uptakesystems
Fur
[- Fe]
Iron storage
ferritins
FeS
synthesis
Heme
synthesis
Iron-requiring
enzymes
[ironcofactor]
Fur
IscR
Fe
FeS
[+Fe]
Transcription
factors
FeS status
of cell
Распределение
факторов
по
геномам
Семейство FUR/MUR/Irr
: P0A9A9
sp|
ECOLI Escherichia coli
Pseudomonas aeruginosa: sp|Q03456
PSEAE
NEIMA Neisseria meningitidis: sp|P0A0S7
HELPY Helicobacter pylori: sp|O25671
P54574
BACSU Bacillus subtilis: sp|
B.subtilis
регуляция генов
транспортеров Mn
MUR
SM mur
Sinorhizobium meliloti
Mesorhizobium sp. BNC1 (I)
MBNC03003179
BQ fur2
Bartonella quintana
BMEI0375
Brucella melitensis
EE36 12413Sulfitobacter sp. EE-36
Mesorhizobium sp. BNC1 (II)
MBNC03003593
RB2654 19538 Rhodobacterales bacterium HTCC2654
AGR C 620 Agrobacterium tumefaciens
RHE_CH00378Rhizobium etli
Rhizobium leguminosarum
RL mur
Nham 0990 Nitrobacter hamburgensis X14
Nwi 0013 Nitrobacter winogradskyi
RPA0450 Rhodopseudomonas palustris
Bradyrhizobium japonicum
BJ fur
ROS217 18337 Roseovarius sp.217
Jannaschia sp. CC51
Jann 1799
Silicibacter pomeroyi
SPO2477
Silicibacter sp. TM1040
STM1w01000993
MED193 22541Roseobacter sp. MED193
HTCC2597
OB2597 02997Oceanicola
SKA53
Loktanella
SKA53 03101
batsensis vestfoldensis
Rsph03000505 Rhodobacter sphaeroides
ISM
Roseovarius nubinhibens
ISM 15430
HTCC1002
Pelagibacter ubique
PU1002 04436
GOX0771Gluconobacter oxydans
Zmomonas
y
mobilis
ZM01411
Saro02001148 Novosphingobium aromaticivorans
Sphinopyxis alaskensis RB2256
Sala 1452
ELI1325
Erythrobacter litoralis
Oceanicaulis alexandrii HTCC2633
OA2633 10204
PB2503 04877Parvularcula bermudensis HTCC2503
CC0057
Caulobacter crescentus
Rhodospirillum rubrum
Rrub02001143
Magnetospirillum magneticum (I)
Amb1009
(II)
Magnetospirillum magneticum
Amb4460
FUR
Fur
E.coli
Irr
Семейство RirA/NsrR (Rhizobiales)
Семейство IscR
Регуляция генов в
функциональных
подсистемах
Rhizobiales
Bradyrhizobiaceae
Rhodobacteriales
The Zoo (likely
ancestral state)
Реконструкция истории регуляторной системы
Frequent
co-regulation
with Irr
Strict division
of function
with Irr
Appearance of the
iron-Rhodo motif
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
Энтропия в выравненных сайтах и количество контактов
(тяжелые атомы в паре оснований на расстоянии <порога от атома белка)
CRP
PurR
IHF
TrpR
Детерминанты специфичности семейства LacI
Обучение: 459 белков,
средняя длина: 338 аа,
85 групп специфичности
– 44 SDPs
10 остатков в контакте с
эффектором
7 в области контакта с
эффектором (5Ǻ<dmin<10Ǻ)
6 остатков –
межсубъединичные контакты
5 в зоне межсубъединичного
контакта (5Ǻ<dmin<10Ǻ)
7 остатков в контакте с
оператором
6 в зоне контакта с
оператором (5Ǻ<dmin<10Ǻ)
LacI from E.coli
Семейство факторов транскрипции CRP/FNR
TGTCGGCnnGCCGACA
CooA
Desulfovibrio
TTGTGAnnnnnnTCACAA
FNR
Gamma
TTGATnnnnATCAA
HcpR
Desulfovibrio
TTGTgAnnnnnnTcACAA
Корреляция между нуклеотидами в
мотиве и остатками в белке
•
•
•
•
DD
DV
EC
YP
VC
DD
DV
EC
YP
VC
CooA в Desulfovibrio spp.
CRP в гамма-протобактериях
HcpR в Desulfovibrio spp.
FNR в гамма-протобактериях
COOA
COOA
CRP
CRP
CRP
HCPR
HCPR
FNR
FNR
FNR
ALTTEQLSLHMGATRQTVSTLLNNLVR
ELTMEQLAGLVGTTRQTASTLLNDMIR
KITRQEIGQIVGCSRETVGRILKMLED
KXTRQEIGQIVGCSRETVGRILKMLED
KITRQEIGQIVGCSRETVGRILKMLEE
DVSKSLLAGVLGTARETLSRALAKLVE
DVTKGLLAGLLGTARETLSRCLSRMVE
TMTRGDIGNYLGLTVETISRLLGRFQK
TMTRGDIGNYLGLTVETISRLLGRFQK
TMTRGDIGNYLGLTVETISRLLGRFQK
Контактирующие: REnnnR
TG: 1й аргинин
GA: глютамат и 2й аргинин
TGTCGGCnnGCCGACA
TTGTGAnnnnnnTCACAA
TTGTgAnnnnnnTcACAA
TTGATnnnnATCAA
Эта корреляция
сохраняется и
в других
членах
семейства
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