Министерство образования и науки Российской Федерации

МОСКОВСКИЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
(государственный университет)

ФАКУЛЬТЕТ РАДИОТЕХНИКИ И КИБЕРНЕТИКИ

КАФЕДРА проблем передачи и обработки инФормации

(Специальность «Математические и информационные технологии»)


ГЕНОМНАЯ РЕКОНСТРУКЦИЯ РЕГУЛЯТОРНЫХ СЕТЕЙ ФАКТОРОВ ТРАНСКРИПЦИИ У БАКТЕРИЙ

Магистерская диссертация

студента 511 группы

Жарова Ильи Алексеевича
Научный руководитель

Казаков А.Е., к.м.н.

Москва, 2011

Содержание

1. Список сокращений

• 
  АТФ – аденозинтрифосфат
  
• 
  ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота
  
• 
  МЛУ – множественная лекарственная устойчивость
  
• 
  п.н. – пар нуклеотидов
  
• 
  РНК – рибонуклеиновая кислота
  
• 
  ABC – ATP binding cassette
  
• 
  HTH – helix-turn-helix
  
• 
  MATE – multigrug and toxic compound extrusion
  
• 
  MFS – major facilitator superfamily
  
• 
  RND – resistance, nodulation and cell division
  
• 
  SMR – small multidrug resistance
  

2. Введение

К настоящему времени известны нуклеотидные последовательности нескольких тысяч геномов прокариот. Экспериментальное исследование функции всех кодируемых ими белков осуществить невозможно, поэтому менее трудоемкие и затратные методы вычислительной молекулярной биологии приобретают все большее значение и популярность.

Одной из важнейших областей исследования является регуляция экспрессии генов. Одинаковые изменения фенотипа могут вызываться как изменениями в генах, непосредственно ответственных за фенотип, так и в генах или прочих элементах регуляторных систем. Транскрипция генов одной биохимической системы, расположенных в разных локусах на хромосоме, нередко регулируется одним регуляторным белком. Совокупность таких генов называется регулоном. Объединение генов в регулоны дает дополнительную информацию для предсказания принадлежности неохарактеризованных генов к той или иной системе.

Данная работа состоит из двух частей. Первая часть посвящена компьютерной реконструкции регулона BltR в бактериях. Подсемейство регуляторов транскрипции BltR относится в семейству MerR. К настоящему времени в нем экспериментально изучен только белок BltR Bacillus subtilis. Вторая часть посвящена поиску сайтов связывания регуляторов Fur, RirA, NsrR, NnrR и NorR в геномах протеобактерий.

Результаты работы были представлены автором на XVII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» и опубликованы в журнале «Молекулярная биология» (Жаров И.А., Гельфанд М.С., Казаков А.Е. Регуляция генов множественной лекарственной устойчивости факторами транскрипции подсемейства BltR // Молекулярная биология – 2011, т. 45 – № 4 – с. 715-723).

3. Постановка задачи

Целью данной работы является реконструкция регулонов, включающих в себя гены множественной лекарственной устойчивости, поглощения железа, нитрозативного стресса и денитрификации у бактерий.

В соответствии с выбранной целью, были поставлены следующие задачи:

1. 
   Сравнительный геномный анализ транскрипционных факторов подсемейства BltR в бактериях
   
   1. 
      Поиск гомологов белка BltR и построение их филогенетического дерева.
      
   2. 
      Построение поисковых профилей сайтов связывания транскрипционных регуляторов с ДНК.
      
   3. 
      Поиск потенциальных сайтов связывания в геномах, содержащих представителей подсемейства BltR, и выявление генов, потенциально регулируемых этими регуляторами.
      
   4. 
      Детальный анализ функций регулируемых генов.
      
2. 
   Реконструкция регулонов факторов транскрипции Fur в энтеробактериях (поглощение железа); NsrR, NorR (нитрозативный стресс) и NnrR (денитрификация) в протеобактериях.
   
   1. 
      Поиск гомологов данных транскрипционных факторов и построение их филогенетических деревьев.
      
   2. 
      Построение поисковых профилей сайтов связывания транскрипционных регуляторов с ДНК.
      
   3. 
      Поиск потенциальных сайтов связывания в геномах энтеробактерий (Fur) и протеобактерий (остальные факторы транскрипции) и выявление генов, потенциально регулируемых этими регуляторами.
      
   4. 
      Общий анализ функций регулируемых генов.
      

Новизна работы состоит в том, что регулятор транскрипции BltR вне модельного организма Bacillus subtilis исследован не был; a регуляторы Fur, NsrR, NorR и NnrR ранее изучались в существенно меньшем наборе организмов.

4. Обзор литературы

   1. Регуляция генной экспрессии

Поскольку живые организмы находятся в меняющейся внешней среде, а также проходят через различные стадии жизненного цикла, экспрессия генов (синтез РНК и белка) поддерживается на постоянном уровне. Регуляция экспрессии генов может происходить на стадиях инициации, элонгации или терминации транскрипции а также на этапе трансляции. Регуляция на стадии инициации транскрипции наиболее экономична, т.к. при этом блокируется как синтез РНК, так и последующий синтез белка. Регуляция инициации транскрипции осуществляется преимущественно специальными белками-регуляторами (транскрипционными факторами), которые связываются со специфическими последовательностями нуклеотидов (сайтами связывания), как правило, расположенными поблизости от промотора. Регулятор переходит из неактивного состояния в активное путем окисления, фосфорилирования, связывания с малой молекулой (эффектором) или посредством других молекулярных взаимодействий. Транскрипционные факторы подразделяют на активаторы (стимулирующие транскрипцию) и репрессоры (подавляющие транскрипцию). Если транскрипционный фактор регулирует гены, относящиеся к одной функциональной подсистеме, он называется локальным, если же он отвечает за регуляцию разных функций, то его называют глобальным.

Бактериальные транскрипционные факторы, как правило, содержат HTH-домен (helix-turn-helix), ответственный за сайт-специфичное связывание с ДНК [25]. Они нередко активны в форме димеров или олигомеров. В этих случаях их сайты связывания на ДНК представляют собой инвертированные или, реже, прямые повторы, которые могут быть разделены промежутком. Нередко ген, кодирующий фактора транскрипции, расположен на хромосоме в непосредственной близости от регулируемых им оперонов. Длина сайта связывания обычно составляет 12-30 п.н. [44].