Изучение регулонов бактериального стресса методами сравнительной геномики

Пермина, Елизавета Алексеевна

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Изучение регулонов бактериального стресса методами сравнительной геномики
ВАК РФ 03.00.03, Молекулярная биология

Автореферат диссертации по теме "Изучение регулонов бактериального стресса методами сравнительной геномики"

На правах рукописи

Пермина Елизавета Алексеевна

Изучение регулонов бактериального стресса методами сравнительной геномики

03.00.03 Молекулярная биология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва - 2006

Работа выполнена в лаборатории биоинформатики Государственного научно-исследовательского института генетики и селекции промышленных микроорганизмов ГосНИИ Генетика.

Научные руководители:

кандидат физико-математических наук, доктор биологических наук М. С. Гельфанд

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор В. Г. Туманян

кандидат биологических наук И. В. Манухов

Ведущая организация: Институт Общей Генетики РАН (ИОГЕН)

Защита состоится 25 апреля 2006 года в 14 часов на заседании Диссертационного совета Д217.013.01 при Государственном научно-исследовательском институте генетики и селекции промышленных микроорганизмов по адресу 117545, Москва, 1-ый Дорожный проезд, д. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГосНИИГенетика

Автореферат разослан « » марта 2006 г. Ученый секретарь Диссертационного совета,

кандидат биологических наук В. И. Щербакова

¿Р£>6А_

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Анализ регуляции экспрессии генов является важным разделом компьютерной генетики и системной биологии. Это связано с тем, что, с одной стороны, в настоящее время сравнительно легко осуществляется секвенирование геномов и эксперименты по анализу экспрессии на микрочипах, а с другой - использование этой информации для описания возможного фенотипа встречает трудности, обусловленные отставанием экспериментальной науки от темпов секвен ирования.

Несмотря на этот значительный материал, многие детали регуляции не ясны до сих пор. В свете того, что экспериментальная проверка гипотез сложна и требует значительного количества времени и ресурсов, представляется целесообразным разработка и использование методов, которые позволяют перенести часть исследований в область комьютерной биологии. Подобные исследования дают возможность определять наиболее перспективные направления для дальнейшей экспериментальной проверки, а в некоторых случаях делать утверждения, практически равносильные результатам биологического эксперимента.

Изучение регуляции ответа на стресс тем более важно, что позволит координировать микробиологические исследования в области поиска новых антибактериальных агентов и техник дезинфекции. Изменчивость и лабильность бактериального генома позволяет патогенным организмам быстро приспосабливаться к уже разработанным антибиотикам и техникам дезинфекции, и исследования в этой области сохраняют актуальность в течение всего периода развития микробиологии и медицины. В частности, рассмотренные в данной работе регуляторные каскады общего стресса в группе Bacillus показывают связь нескольких бактериальных стрессовых регулонов с множественной лекарственной устойчивостью.

Быстрое развитие методов индустриальной биоинженерии также требует всестороннего изучения изменения клеточных процессов в необычных для клетки условиях биотехнологического процесса. Новое направление в этой области ставит своей задачей разработать методики восстановления окружающей среды от загрязнений ионами тяжелых металлов и других биологически опасных веществ. Изучение микроорганизмов, способных осаждать соли тяжелых металлов из раствора, является одной из ключевых задач в этой области.

Цель и задачи исследования

Диссертация состоит из четырех глав, посвященных регуляции SOS-ответа, теплового шока, общего стресса и устойчивости к ионам тяжелых металлов.

Целью исследования, представленного в первой и второй главах, является применение современных методов сравнительной геномики к исследованию ответа на повреждение ДНК и тепловой шок у бактерий. При этом решались следующие задачи:

• Описание структуры всех генетических локусов, содержащих гены ответа на повреждение ДНК и тепловой шок в группе гамма-протеобактерий и Грам-положительных бактерий.

• Поиск в геномах бактерий из группы гамма-протеобактерий и фирмикут новых генов, относящихся к системам ответа на повреждение ДНК и тепловой шок.

• Анализ пересечений различных регулонов теплового шока, изучение регуляторных каскадов.

Целью исследования, представленного в третьей главе, является изучение регулона общего стресса (SigB) в группе Bacillus/Staphylococcus/Listeria:

• Описание структуры всех генетических локусов, содержащих гены, входящие в систему общего стресса у шести геномов группы Bacillus/Staphylococcus/Listeria (В. subtlis, В. halodurans, В. anthracis, S. aureus, О. ihiensis, L. monocytogenes). Были выбраны полные геномы, в которых присутствует ген регулятора.

• Сравнение данных, полученных с помощью методов сравнительной геномики, с данными, полученными с помощью метода микрочипов, взятыми из литературы.

Целью исследования, представленного в четвертой главе, является изучение регулонов ответа на присутствие в среде ионов тяжелых металлов:

• Описание струюуры всех локусов, содержащих гены, входящих в системы устойчивости к ионам тяжелых металлов, последовательности которых доступны на момент проведения исследования.

• Сравнительный анализ эволюции транскрипционных регуляторов и регуляторных сигналов систем устойчивости к ионам тяжелых металлов.

Научная новизна и практическое значение

В работе впервые получены следующие результаты:

• Впервые систематически описана структура всех локусов, содержащих гены регуляторных систем SOS-ответа, теплового шока, общего стресса и систем устойчивости к ионам тяжелых металлов.

• Для бета- гсротеобактерий описана система взаимодействия регулонов теплового шока RpoH и НгсА и регуляторный каскад.

• Для гамма- и бета-протеобактерий предсказано вхождение гена ybbN в регулон теплового шока.

• Для Грам-положительных бактерий предположен ряд новых сайтов связывания регулятора НгсА.

• Проведено сравнение результатов сравнительно-геномного анализа и опубликованных данных по анализу экспрессии на микрочипах.

• Предсказана специфичность ряда регуляторов и транспортеров, относящихся к системе устойчивости к ионам тяжелых металлов.

Всё вышесказанное составляет практическую значимость работы и является поводом для экспериментальной проверки.

Апробация работы

Результаты, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на международных научных конференциях BGRS (International Conference on Bioinformatics of Genome Regulation and Structure, Новосибирск 2002, 2004) и MCCMB (Moscow Conference in Computational Molecular Biology, Москва 2003,2005), а также на научных семинарах в лаборатории Биоинформатики ФГУП ГосНИИгенетика, Москва, Россия; Ecole Polytechnique, Palaiseau, Франция; National Center of Biological Information, Bethesda, США; Instituto de Biologia Molecular, Rosario, Аргентина. Они опубликованы в шести тезисах упомянутых конференций.

Объем и структура диссертации

Диссертация изложена на страницах машинописного текста и состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов, результатов (четыре главы), выводов и списка литературы, содержащего наименований. Работа содержит рисунков и таблиц.

Глава I посвящена сравнительному анализу систем устойчивости к агентам, повреждающим ДНК у гамма-протеобактерий и Грам-положительных бактерий. Описано консервативное ядро регулона SOS-ответа в группе гамма-протеобактерий, впервые описаны таксон-

специфические черты SOS-регулона внутри каждого рода, предсказано участие в SOS-ответе двух новых генов. Описана система ответа на повреждение ДНК у Грам-положительных бактерий. Дана характеристика распостранения системы UmuDC.

Глава П посвящена исследованию генетических аспектов системы теплового стресса в гамма-протеобактериях и Грам-положительных бактериях. Произведена классификация изученных регуляторных механизмов и построение схемы взаимодействия различных регулонов теплового шока.

Глава ГО содержит исследование системы общего стресса в группе Bacillus/Staphylococcus/Listeria. Описана структура регулона в шести геномах, выделена консервативная часть регулона и проведено сравнение данных, полученных при помощи метода микрочипов, и результатов сравнительно-геномного анализа.

В Главе ГУ проведено описание и анализ систем устойчивости к ионам тяжелых металлов. Описана схема определения специфичности регуляторов семейства MerR/HMR и транспортеров ионов тяжелых металлов, предсказано участие в ответе на повышение концентрации ионов Си[1] цитохромов с553 в геномах Vibrio cholerae, V. vulnificus и V. parahaemoliticus.

Методы, применявшиеся в работе

Метод сравнительной геномики

Для сортировки первичных данных, полученных с помощью матриц позиционных весов (рабочей выборки), и разделения их на перепредсказанные и потенциальные сайты, был использован метод сравнительной геномики (филогенетического футпринтинга). Рабочие выборки из нескольких родственных геномов сравнивались с целью найти группу ортологичных генов с консервативным потенциальным сайтом в 5'-некодирующей области (Рис. 1). Если потенциальные сайты встречались в трех или более случаях, ген определялся как предсказанный участник регулона. При анализе также учитывалась известная или предполагаемая функция гена, положение потенциального сайта и степень консервативности некодирующей области. Базовым геномом становился, как правило, тот, из которого были взяты сайты для построения матрицы позиционных весов (МПВ), т.е. наиболее экспериментально изученный. Естественным ограничением такого метода является неучет случаев, когда ген утерял регуляцию именно в базовом геноме. Для компенсации этого применялся метод попарных сравнений. В этом случае сравнивались рабочие выборки всех возможных пар геномов в изучаемой группе. Этим методов определялась таксон-специфическая регуляция.

Рисунок 1. Схема сравнительно-геномного анализа

Стрелками обозначены гены, пунктирной линией - ортологичность, овалами обозначены потенциальные сайты. Плюсы стоят напротив генов, которые признаются потенциальными членами регулона, минус означает, что ген не попадает в потенциальные повые члены регулона. _ _____________

обучающая выборка

мпв

Геном 1 | Г

! -1 -- -«

i !

Геном 2

Геном N

+ +?

Содержание работы

Глава I. SOS-ответ у гамма-протеобактерий и Грам-положительных бактерий

Система ответа на повреждение ДНК (система SOS-ответа) может быть индуцирована UV-излучением или некоторыми химическими агентами (митомицин). Внутриклеточным событием, включающим регуляторный каскад SOS-ответа, является появление одноцепочечной ДНК, с которой реагирует белок RecA с образованием нуклеопротеиновых филаментов. Активация белка RecA, в свою очередь, вызвает автопротеолиз белка-репрессора SOS-ответа LexA (Walker, 1984; Witkin, 1976; Rupp, 1999).

В SOS-ответе участвуют белки рекомбинационной и экзцизионной репарации (продукты оперонов ruvAB и uvrABC), гипермутирующая полимераза UmuDC, белки, регулирующие клеточное деление (SulA) (Rupp, 1999; Sutton, 2000).

Был проведен анализ распространения и структуры SOS-регулонов в гамма-протеобактериях и Грам-положительных бактериях.

Исследование SOS-регулона методами сравнительной геномики

МПВ (матрица позиционных весов) строилась по экспериментально подтвержденным сайтам перед генами lexA, recA, recN и ruvAB Е. coli (Rupp, 1999). Методами сравнительной геномики было выявлено

консервативное ядро регулона в гамма-протеобактериях (гены lexA, гесА, recN) и показаны возможные составы регулона в родственных E.coli геномах, в частности, в Salmonella typhimurium, Yersinia pestis, Pseudomonas aeruginosae, Haemophilus spp. и Xylella spp. Было описано распостранение оперона umuDC (тисАВ) в геномах гамма-протеобактерий и феномен сопряжения оперона umuDC с плазмидами. В группе гамма-протеобактерий было проведено исследование возможной таксон-специфической регуляции для родов Vibrio и Pseudomonas и групп Enterobacteriaceae и Pasterellaceae и выявлены характерные особенности организации SOS-регулона в этих таксономических группах.

В группе Грам-положительных бактерий также были охарактеризованы потенциальные регулоны ответа на повреждение ДНК. Так как регуляторная последовательность, с которой связывается регулятор DinR (ортолог LexA в В. subtulis), отличается от SOS-бокса Е. coli, для Грам-положительных бактерий была построена своя матрица позиционных весов на основе выборки экспериментальных сайтов из В. subtilis.

Характеристика особенностей распространения и регуляции оперона umuDC, кодирующего Pol V

В геноме В. subtilis наблюдалось сопряжение оперона гомологичного umuDC с профаговым элементом, в то время как в Enterococcus faecalis гомолог umuDC располагается в одном локусе с генами, характерными для траспозонов. Из этих наблюдений можно сделать вывод о частой локализации оперонов umuDC в мобильных генетических элементах. Во всех случаях, когда локус содержал в себе оба гена umuD и итиС, локус находился под потенциальной регуляцией репрессора SOS-ответа, как в гамма-протеобактериях, так и в Грам-положительных бактериях. В случаях, когда локус не содержал гена umuD, регуляция могла быть утеряна. Выдвинуто предположение, что, поскольку полный оперон кодирует мутагенную полимеразу, он должен жестко репрессироваться в нормальных условиях во избежание повреждения генома. Гомолог итиС в отсутствие umuD, возможно, не обладает мутагенной способностью и его репрессия факультативна.

Глава II. Регулоны теплового шока у протеобактерий и Грам-положительных бактерий

Были рассмотрены регулоны НгсА, RpoH, RpoE, CtsR, SigB. Из них НгсА и CtsR являются негативными регуляторами транскрипции, содержащими ДНК-связывающий домен вида спираль-поворот-спираль, a RpoH, RpoE и SigB - активаторами транскрипции (альтернативными сигма-факторами).

НгсА характерен тем, что связывается с высоко консервативным палиндромом со структурой TTAGCACTC-(9)-GAGTGCTAA (Shumann et al., 1994). В общем случае в геноме находится один-два сайта связывания. В большинстве случаев сайт связывания НгсА находится перед опероном groESL, кодирующим один из главных шаперонов, задействованных в тепловом стрессе, и, иногда, перед геном hrcA и опероном dnaKJ. Регулон НгсА широко распространен среди бактерий, однако его представители практически отсутствуют в группе гамма-протеобактерий. Впервые он был описан в В. subtilis (Shumann et al. 1997), и его ортологи найдены в бета- и альфа-протеобактериях и широко распостранены в группе Грам-положительных бактерий (Narberhaus, 1999).

RpoH (о32) представлен в большом количестве геномов протеобактерий. Регулятор о32 - альтернативный сигма фактор, узнающий промотор с консенсусом CTTGAAA-(12)-CCCCAT (Gross et al. 1985, Gross, 1996). Регулон RpoH включает в себя гены, кодирующие основные белки теплового стресса - шапероны (GrpE, GroESL, DnaKJ, HtpG) и протеазы (Clp, Lon). В E. coli также описан второй регулон теплового шока - RpoE (о24). Промотор, узнаваемый о24, найден перед геном rpoH (Sihavy et al., 1997; Georgopulos et. al, 1996; Yura et. al, 2000)

Ортологи гена CtsR встречены в группе Грам-положительных бактерий вплоть до группы Clostridia. Сигнал представляет собой тандемный повтор с шагом 7 нуклеотидов GTCAAAA...GTCAAAA (Msadek et. al, 1998, Msadek et al., 1999, Msadek et al., 2000).

Ниже приведены результаты анализа генетических аспектов реакции теплового шока. Для описания локусов защиты от повышенной температуры и их регуляции в геномах протеобактерий и Грам-положительных бактерий, для которых отсутствуют экспериментальные данные, были применены методы сравнительной геномики.

Анализ распространения и структуры регулонов теплового

шока

Были описаны потенциальные регулоны НгсА в 17 геномах. Помимо Грам-положительных геномов из родов Bacillus, Staphylococcus, Enterococcus, Clostridium, Lactobacillus, Lactococcus, Mycoplasma и Ureaplasma, были рассмотрены геномы альфа-, бета-, гамма- и эпсилон-протеобактерий, в которых также были найдены ортологи НгсА (из группы гамма-протеобактерий регулон НгсА найден в Xylella spp. и Thiobacillus spp.) По литературным данным (Narberhaus, 1999) была построена МПВ для поиска потенциальных сайтов связывания регулятора. Ввиду того, что сайт связывания НгсА обладает черезвычайно высокой консервативностью, порог для МПВ был выбран таким образом, чтобы допускать не более 4 замен. Были описаны потенциальные сайты связывания в 20 геномах. В большинстве случаев регулон НгсА в геномах Грам-положительных бактерий представлен оперонами groESL и hrcA-grpE-dnaKJ. В геномах Clostridium и Mycoplasma были впервые обнаружены потенциальные сайты связывания перед генами протеаз.

Ортологи гена гроН из Е. coli прослеживаются до альфа-протеобактерий. При анализе распостранения регулона RpoH было вьивлено сохранение сигнала вплоть до бета-протеобактерий. Было определено консервативное ядро регулона для гамма- и бета-протеобактерий, и впервые предположена возможность участия в системе теплового стресса гена ybbN Е. coli (Ь0492), кодирующего тиоредоксин, на основании консервативности потенциального сайта перед ортологами гена, как в гамма-, так и в части бета-протеобактерий.

Группа бета-протеобактерий представляет особый интерес с точки зрения изучения регуляции теплового стресса, так как в геномах бактерий из этого таксона встречаются как ортологи НгсА, так и регулон RpoH. Нами впервые был описан регуляторный каскад HrcA->RpoH в геномах шесть бактерий (A. xylosoxidans, В. pertussis, В. parapertussis, В. pseudomallei, М. flagellatus, Methylovorus sp., N. europaea и С. metallidurans). В геномах трех из них впервые был обнаружен потенциальный промотор RpoH перед геном hrcA (Таблица 2), что приводит к образованию обратной связи HrcA<->RpoH.

Для CtsR консервативное ядро регулона описано в 12 геномах. МПВ создавалась на основе экспериментально показанных сайтов перед генами clpE, clpP и clpC из В. subtilis (Msadek et al. 1999). Рабочая выборка в В. subtilis составила 41 сайт у 37 генов. Методом попарных сравнений были выделены потенциальные сайты связывания CtsR в геномах В. subtilis, Staphylococcus aureus, Streptococcus pneumoniae, S. pyogenes, Lactococcus lactis, Listeria monocytogenes, Enterococcus faecalis, Clostridia acetobutilicus, C. botulinus, C. perfringens, C. difficile. Консервативное ядро регулона составляют протеазы Clp, и их регуляция сохраняется во всех рассмотренных геномах. В геномах Enterococcus faecalis, Lactococcus lactis и Listeria monocytogenes также обнаружен

потенциальный сайт перед геном Иге А, что позволяет предположить наличие регуляторного каскада ОвЯ-ЖкА.

Таблица 1. Консервативное ядро регулона RpoH в гамма-протеобактериях

ST(c) YP(c) VC(c) PA(c) XF(c) BP NE ВС

dnaKJ + + + + (+) + + +

grpE + + + - + + + +

groESl + + + + + + + +

htpG + + + + + + + +

ftsJ + + + 0 - - 0 -

Ion + + + + + + - -

clpB + + + + + + + +

clpP + + + - + - - -

clpX - - <+) + - - -

hflB + - - -

hslU - + - - + +

hslV 0 + + + + + - +

hslT + + + 0 0 0 0 0

b0492 + + + - + 0 0 0

Обозначения'

"+" - присутствие потенциального о32 промотора;

"-" - отсутствие потенциального о11 промотора,

"О" - отсутствие гена в секвенированноб части генома;

"(+)" - гея расположен в потенциально регулируемом опероне.

* ВС содержит две копии гена hflB.

Обозначения геномов ST - S typhi, YY - Y pestis, VC - V cholerae, РА - P aeruginosae, XF - X fastidiosa, BP - В pertussis, NE - N europaea, BC - Burkholderia cepaceae. "(с)" - полный геном на момент проведения исследования.

Таблица 2. Потенциальные сайты связывания в 5'-некодирующих областях генов

геном ген П03Н ЦИЯ сайт связывания HrcA

Achromobacter xylosoxidans rpoH -38 TTAGCACTC-(9)-GAGTGCTAA

Ralstoma eutropha rpoH -97 TTAGCACTC-(9)-GAGTGCTAA

Ralstonia solanocearum rpoH -69 TTAGCACTC- 1.9) -GAGTGCTAA

Bordetella pertussis rpoH ■73 TTAGCACTC-(9)-GAGTGCTAA

Bordetella Parapertussis rpoH -92 TTAGCACTC- (9) -GAGTGCTAA

Burkholdena pseudomallei rpoH -87 TTAGCACTC-(9)-GAGTGCTAA

Nitrosomonas europaea * rpoH -84 TTAGCACTC- (9) -GAGTGCTAg

Methylobacillus flagellatus rpoH -56 cTAGCACaC-(9)-GAGTGCTAg

Methylovorus sp SSI rpoH- ? TTAGCACTC-(9)-GAGTGCTAG

Сайт связывания RpoH

Bordetella pertussis hrcA -27 gTTGAAA- (15) -gCtCAT

Bordetella parapertussis hrcA -25 gTTGAAA- (IS) -gCtCAT

Methylobacillus flagellatus hrcA -39 aTTGAAt- (14) -CCtCAT

Глава III. Регулон SigB: Общий стресс в группе Bacillus/Staphylococcus/Usteria.

Регуляторный белок SigB является альтернативным сигма фактором, распознающим промотор с консенсусной последовательностью AGTTTAC-( 14)-GGGTAT (Price, 2000; http://dbtbs.hgc.jp). Регулон SigB в В. subtilis достаточно обширен (по разным оценкам, от 75 до 200 генов; Price, 2000) и отвечает за устойчивость к повышению температуры, понижению рН, воздействию этанола и осмотический шок. В регулон SigB входят протеазы теплового шока (clp), которые, кроме того, входят у В. subtilis в регулон CtsR. В литературе была описана регуляция самого гена ctsR при помощи SigB (Kruger et al., 1996) Кроме того, в общем стрессе принимают участие белки-осмопротекторы (ОриЕ), каталазы (KatX, KatB), возможно участие белков множественной лекарственной устойчивости (Bmr) (Petersohn et al., 1999).

Исследованиерегулона общего стресса методом сравнительной

генетики

В работе изучались консервативное ядро регулона и структура потенциальных регулонов в геномах группы

Bacillus/Staphylococcus/Listeria и степень соответствия данных сравнительной геномики данным, полученным экспериментальными методами массового анализа уровня экспрессии генов.

По экспериментально показанным сайтам связывания SigB (http://dbtbs. hgc.jp) была построена МПВ. Рабочая выборка (число генов, содержащих в 5'-некодирующей области потенциальные сайты до фильтрации методом сравнительной геномики) для В. subtilis составляла 456 генов. Так как ортологи гена sigB на момент исследования были обнаружены в В. anthracis, В. halodurans, S. aureus, О. ihiertsis и L. monocytogenes, и сигнал связывания в них консервативен, был проведен сравнительно-геномный анализ. Было выяснено, что консервативное ядро регулона сравнительно невелико (11 генов), и в рассмотренных геномах было найдено от 15 (L. monocytogenes) до 49 (О. ihiertsis) генов, потенциальные сайты перед которыми встречались еще хоть в одном геноме (Таблица 3). Всего 11 генов обладают потенциальными сайтами в четырех или более геномах из семи рассмотренных.

Сравнение результатов, полученных методом сравнительной геномики с данными анализа экспрессии на микрочипах

Общий стресс неоднократно становился предметом исследования, и в 2001 году сразу несколько групп опубликовали данные по В. subtilis, полученные методом микрочипов (Helmann et al. 2001, Petersohn et al. 2001, Price et al. 2001). Во всех трех работах изменение транскрипции генов, входящих в модулон общего стресса индуцировалось этанолом и повышением температуры.

При имевшемся массиве данных было целесообразно сравнить данные, полученные методом сравнительной геномики, с данными анализа экспрессии на микрочипах. Для этого был составлен общий список генов, встреченных хотя бы в одном из трех микрочиповых исследований (241 ген). Всего про 48 генов было показано участие в общем стрессе во всех трех работах, 51 были индуцированы стрессовым - воздействием в двух работах из трех, 142 гена были причислены к

регулону общего стресса только в одном исследовании из трех. На результат этого сравнения были наложены данные, полученные в i результате поиска потенциальных сайтов при помощи МПВ (Таблица 5).

104 гена из 241 встреченных хотя бы в одном из трех исследований, имели в 5'-некодирующей области потенциальные сайты связывания SigB. Из 48 генов, встреченных во всех трех экспериментальных работах 37 имели потенциальный сайт связывания регулятора в 5'-некодирующей области. 5 генов, встреченных в выборках потенциально регулируемых в четырех или более геномах, были выделены в члены регулона во всех трех работах. Таким образом, гены, экспрессия которых зависела от SigB в 2 или 3 экспериментах, с относительно большей вероятностью имеют сайты, сохраненные в нескольких геномах. Более того, подавляющее большинство генов с консервативными сайтами были выделены хотя бы в одном эксперименте.

Проведеное сравнение результатов сравнительно-геномного анализа и метода микрочипов дает возможность оценить степень достоверности каждого из методов в случае изучения глобальной регуляции. Для регулона SigB В. subtilis определена наиболее вероятная геном-специфическая и консервативная части регулона на основе анализа трех экспериментальных работ по экспрессии на микрочипах и сравнительного анализа шести родственных В. subtilis геномов.

Таблица 3. Консервативное ядро регулона SigB.

ВС BH BA LM OI SA

bmrU-bmr-bmrR 0 + - 0 - +

csbD (ywmG) + 0 0 - + +

dps - + + 0 (+)

KtaB - + - -

katB + + + - + 0

opuE + + + 0 - +

clpP + + + - + -

ydaP 0 - ■f

yfkM + - + 0

ytkL - + - 0 + +

ytxG - + - + + +

ytxH 0 <+) 0 - + 0

ydfO + + 0 + 0

rsbW (+) M + + +

rsbVWX-sigB 0 + 0 + + . +

yxaC + - + 0 M

ycbO - <+) 0 0 0

yshC + + + + - -

yrhD 0 - 0 +

ЫоА + + 0 - +

yvgN - + - + + -

matL - (+) - + -

yfnl 0 0 + 0 +

sodA + + + + - -

Обозначения:

"+" - присутствие потенциального о32 промотора;

- отсутствие потенциального а31 промотора; "О" - отсутствие гена в секвенированной части генома;

"(+)" - ген расположен в потенциально регулируемом опероне. /

ВС - Bacullus cereus, ВА - Bacillus antracis, ВН - Bacillus halodurans, OI - Oceanobacillus ihiensts, LM - *

Listeria monocytogenes, SA - Staphylococcus aureus

Таблица 5. Пересечение результатов, полученных методом анализа экспрессии на микрочипах, и методом сравнительной геномики._

Эксперссия гена зависела от SigB в:

перед геном вО одном двух трех

есть исследований исследовании исследованиях исследованиях

потенциальный

сабггв:

0 геномов 1 58 14 9

1 геноме 2 12 10 8

2 геномах 0 9 4 7

3 геномах 0 3 0 3

4 геномах 0 3 1 1

5 геномах 0 1 0 0

Глава IV. Регулоны устойчивости к тяжелым металлам у эубактерий. Семейство MerR (HMR)

Семейство MerR состоит из регуляторов транскрипции содержащих ДНК-связывающий домен вида спираль-поворот-спираль. Кроме металл-связывающих регуляторов, в семейство входят регулятор ответа на окислительный стресс SoxR и регуляторы множественной лекарственной устойчивости. Метал-чувствующие регуляторы выделяются внутри семейства присутствием консервативных цистеинов в позициях (Brown, 2003).

Регулоны семейства MerR чаще всего состоят из двух генов -транспортера ионов тяжелых металлов и собственно регулятора. Исключение составляют системы устойчивости к ионам ртути Hg(II) и свинца Pb (II), которые включают также ряд генов, отвечающих за изменение степени окисления иона (Hobman et al., 2003). Гены могут как располагатся в одном локусе - опероне или дивергоне, так и находиться в разных частях генома. Характерной особенностью семейства MerR является способ активации транскрипции регулируемых генов. Промотор регулируемого гена обладает спейсером длины 19 (MerR протеобактерий, CueR, HmrR, PbrR) или 20 (MerR Грам-положительных бактерий, ZntR), и следовательно, субоптимален (O'Halloran et al., 2000).

Для инициации транскрипции с промоторов этого типа необходимо, чтобы белок-регулятор связался с палиндромной последовательностью, находящейся внутри промоторного спейсера (O'Halloran et al., 1999). Консенсусы палиндромных сайтов связывания специфичны для разных членов подсемейства (Brown, 2003, Hobman et al., 2003). При наличии ионов металла-индуктора в среде регуляторный белок приобретает способность изгибать ДНК (Summers, 1992) и, таким образом, расстояние между боксами промотора становится оптимальным.

Анализ регулонов семейства AferR

Поскольку регулоны семейства MerR очень невелики, при поиске потенциальных сайтов связывания регулятора было важно учесть сложную структуру этих сайтов и соблюдать оба условия: наличие соответствующего палиндрома и промотора с заданным субоптимальным спейсером. МПВ для палиндромов были построены с использованием сайтов, взятых из (Brown, 2003), матрица для промотора была построена с использованием выборки промоторов из базы DPInteract.

При помощи программы BLAST были найдены и описаны все секвенированные на момент исследования локусы, содержащие регуляторы семейства MerR. Из них были отобраны те, у которых были обнаружены консервативные цистеины в трех позициях, ответственных за связывание с ионом металла. Было построено филогенетическое дерево регуляторов. Потенциальная специфичность регулятора определялась, исходя из его позиции на дереве и наличия в его 5'-некодирующей области соответствующего специфичного палиндромного сайта внутри промоторного спейсера. В локусах, содержащих потенциальные регуляторы, был проведен поиск комбинированного сайта промотор+палиндром, и собраны все такие случаи. В результате была предсказана специфичность нескольких транспортеров и сделано предположение о возможности вхождения в регулон CueR генов, кодирующих цитохромы с553 или с554 в V. vulnificus (W20052), V. parahaemolyticus (VPA1012) и V. cholerae (VCA0766).

По результатам анализа филогенетического дерева и описанных сайтов связывания был сделан вывод об ортологичности регуляторов в парах CueR-HmrR и CadR-PbrR.

Для геномов Providencia rettregerí, Pseudomonas sp. (Q9F3U8) и А. haloplanktis было сделано наблюдение о смешанном типе сайта MerR -перед оперонами тег были найдены комбинированные сайты с палиндромом протеобактериального типа и промоторным спейсером Грам-положительного типа.

Рисунок 2. Дерево регуляторов семейства Мет®. На ветках дерева обозначены специфичность регуляторов (Н& Си, СА, РЬ, Хо) и лого сигналов связывания. "<3+" и "О-'означают Грам-положительные и Грам-отрицательные бактерии.

М...1

Выводы

1. Описана структура и состав регулонов ЗОБ-ответа, теплового шока, общего стресса и устойчивости к тяжелым металлам в геномах рассмотренных групп.

2. Предсказана регуляция нескольких генов (уЪЬИ - ретулон ИроН, УУ20052, УРА1012 и УСА0766 - регулон СиеК).

3. Предсказана специфичность нескольких регуляторов и транспортеров, относящихся к системе устойчивости к ионам тяжелых металлов. Из 503 членов суперсемейства СОСЮ789 для 109 предположена регуляция устойчивости к тяжелым металлам, из них 14 отнесено к подсемейству МегЯ Грам-положительного типа, 30 - к подсемейству МегЯ протеобактериального типа, 14 - к подсемейству СиеК/НтгЯ, 6 - к подсемейству СаЖ/РЬгИ и 6 - к подсемейству гтИ. Во всех случаях определения конкретного подсемейства определены остальные потенциальные участники регулона.

4. Проведено сравнение результатов сравнительно-геномного анализа и метода микрочипов. Для регулона SigB В. subtilis определена наиболее вероятная геном-специфическая и консервативная части регулона на основе анализа трех экспериментальных работ по экспрессии на микрочипах и сравнительного анализа шести родственных В. subtilis геномов.

5. Описаны регуляторные каскады и схемы пересечения регулонов, отвечающих за тепловой стресс: регуляция гена hrcA сигма-фактором RpoH у Ahcromobacter xylosoxodans, Ralstonia eutropha, R. solanocearum, Bordetella pertussis, B. parapertussis, Burkholderia pseudomallei, Methylobacillus flagellatus, Nitrosomonas eutropha, и Methylovorus sp SSI, и репрессором CtsR у Lactococcus lactis, Listeria innocua, L. monocytogenes, Enterococcus faecalis, регуляция гена rpoH репрессором HrcA у (Bordetella pertussis, B. parapertussis и Methylobacillus flagellatus), двойная регуляция генов dnaKJ регуляторами SigB и CtsR, и оперона groESL регуляторами HrcA и CtsR у Streptococcus pyogenes, Sthaphylococcus aureus.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

Статьи:

1. Е. Permina, A. Mironov, М. Gelfand. Damage-repair error-prone polymerases of eubacteria: association with mobile genome elements. // Gene, 2002, 293, 133-140.

2. E Permina, M. Gelfand. Heat Shock (Sigma32 and HrcA/CIRCE) Regulons in beta-, gamma- and epsilon-Proteobacteria. // J Mol Microbiol Biotechnol. 2003; 6(3-4): 174-81.

Тезисы конференции:

3. E. Permina, M. Gelfand Comparative analysis of regulatory interactions in bacterial genomes. // Conference on Bioinformatics of Genome Regulation and Structure, 2002, V.2, pp. 35-37, Novosibirsk, Russia, July 2002.

4. E. Permina, M. Gelfand. Heat shock regulons in eubacteria. // Moscow Conference on Computational and Molecular Biology, p 184, Moscow, Russia, July, 2003

5. A. Kazakov, О Kalinina, E. Permina, M. S Gelfand. Bacterial metal resistance systems regulated by transcriptional regulators of the MerR family. // Conference on Bioinformatics of Genome Regulation and Structure, 2002, V.I, pp. 91-94, Novosibirsk, Russia, July 2004.

6. М.С.Гельфанд, А.Витрещак, Е.Новичкова, E Панина, Е.Пермина, Д.Родионов, Д. Фриишан, Е. Кунин, Ю.И.Козлов, А.А Миронов Сравнительный подход к предсказанию регуляторных сигналов в полных геномах. // Научный совет Подпрограммы «Геном человека». Сборник отчетов за 1999 год. Москва 2000г. стр. 40-41

Подписано в печать 22.03.2006 Формат 60x88 1/16. Объем 1.0 п.л. Тираж 75 экз. Заказ № 501 Отпечатано в ООО «Соцветие красок» 119992 г.Москва, Ленинские горы, д.1 Главное здание МГУ, к. 102

MЩ ; ^У/ ;

,s? - б 5 9 t

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Пермина, Елизавета Алексеевна

Введение

Обзор литературы

Методы сравнительной геномики для изучения регуляции 4 транскрипции

SOS-ответ у бактерий

Тепловой шок

Общий стресс

Тяжелые металлы

Материалы и методы

Базы данных бактериальных геномов

Компьютерные программы и методы для анализа геномов, а также 19 отдельных нуклеотидных и белковых последовательностей

Сравнительный анализ

Результаты и обсуждение

Глава I. SOS-ответ у гамма-протеобактерий и грам- 23 положительных бактерий

Исследование SOS-регулона методами сравнительной геномики

Филогенетический анализ днк-полимераз IV и V

Характеристика особенностей распространения и регуляции оперона umuDC, кодирующего Pol V

Обсуждение

Таблицы и иллюстрации

Глава II. Регулоны теплового шока у протеобактерий и грам- 41 положительных бактерий

Анализ распространения и структуры регулонов теплового шока

Обсуждение

Таблицы и иллюстрации

Глава III. Регулон SigB: общий стресс в группе 57 Bacillus/Staphylococcus/Listeria.

Исследование регулона общего стресса методом сравнительной 57 генетики

Сравнение результатов, полученных методом сравнительной 57 геномики, с данными анализа экспрессии на микрочипах

Обсуждение

Таблицы и иллюстрации

Глава IV. Регулоны устойчивости к тяжелым металлам у 61 эубактерий. семейство MerR/COG()

Анализ регулонов семейства MerR/COG

Обсуждение

Таблицы и иллюстрации

Выводы

Благодарности

Введение Диссертация по биологии, на тему "Изучение регулонов бактериального стресса методами сравнительной геномики"

Одним из важнейших процессов, который обеспечивает многообразие функциональных возможностей живых организмов, является транскрипционная регуляция. Большое количество отсеквенированных и аннотированных в последние годы геномов позволяет эффективно использовать методы компьютерной биологии для предсказания новых и детального изучения уже известных регуляторных систем.

Ключевым моментом транскрипционной регуляции является связывание одного или нескольких транскрипционных факторов со специфическими участками (ДНК-сайтами) в регуляторных областях гена. Как правило, участки связывания одного и того же транскрипционного фактора имеют схожую структуру, при этом несколько различаясь от одного регулируемого гена к другому. Наряду с тем фактом, что в ходе эволюции близкородственные организмы сохранили многие гены и регуляторные механизмы в малоизмененном виде, это дает возможность предсказывать потенциальные регуляторные сайты в новых геномах, а также исследовать механизмы транскрипционной регуляции в уже известных геномах.

Несмотря на значительный накопленный материал, многие детали регуляции не ясны до сих пор. В свете того, что экспериментальная проверка гипотез сложна и требует значительного количества времени и ресурсов, представляется целесообразным разработка и использование методов, которые позволяют перенести часть исследований в область комьютерной биологии. Подобные исследования дают возможность определять наиболее перспективные направления для дальнейшей экспериментальной проверки, а в некоторых случаях делать утверждения, практически равносильные результатам биологического эксперимента.

Быстрое развитие методов индустриальной биоинженерии также требует всестороннего изучения изменения клеточных процессов в необычных для клетки условиях биотехнологического процесса. Новое направление в микробиологии ставит своей задачей разработать методики восстановления окружающей среды от загрязнений ионами тяжелых металлов и других биологически опасных веществ. Изучение микроорганизмов, способных осаждать соли тяжелых металлов из раствора, является одной из ключевых задач в этой области.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

МЕТОДЫ СРАВНИТЕЛЬНОЙ ГЕНОМИКИ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ РЕГУЛЯЦИИ ТРАНСКРИПЦИИ

Одним из основных компьютерных методов, применяемых для изучения транскрипционной регуляции в полных бактериальных геномах, является поиск операторных участков (сайтов) связывания транскрипционных факторов с ДНК. Этот метод является важным компонентом аннотации полных бактериальных геномов, который позволяет уточнить предсказания функций генов, сделанные методами анализа белковых последовательностей. Существует много способов анализа участков связывания факторов транскрипции, однако традиционно задача поиска регуляторных сигналов решается следующим образом (Mironov и др., 2000). На первом этапе необходимо получить список сайтов (обучающую выборку), отвечающих исследуемому регуляторному белку. Для этого сначала составляется список совместно регулируемых генов, который можно получить путем анализа литературы, поиска по базе данных или в экспериментах по экспрессии генов. После этого 5'-некодирую щие области полученных генов выравниваются с целью обнаружить в нуклеотидных последовательностях консервативные области.

Альтернативным способом является использование экспериментальных данных (мутагенез или футпринтинг), которые позволяют сузить область поиска.

На втором этапе на основе полученного списка строится распознающее правило. В наиболее простом варианте это может быть консенсусная последовательность. Более сложная процедура построения распознающего правила включает в себя вычисление позиционной матрицы весов нуклеотидов, которая обычно является более чувствительной, чем просто консенсусная последовательность. Для поиска новых операторных участков 5'-некодирующие области всех генов в исследуемом геноме сканируются с помощью построенного распознающего правила.

Практика использования самых разнообразных методов предсказания регуляторных сигналов показывает, что построить надежное распознающее правило практически никогда не удается, так как вместе с правильно предсказанными операторными областями обычно находятся много лишних. Кроме того, для подавляющего большинства геномов и регуляторных систем отсутствуют какие бы то ни было экспериментальные данные для создания обучающей выборки.

Доступность полных или почти полных геномов дает возможность существенно увеличить надежность предсказаний. При этом используется основная идея сравнительной геномики, заключающаяся в том, что группа генов, составляющих регулон (группу совместно регулируемых фактором генов) в одном геноме, будет составлять регулон и в родственном геноме. Тем самым, пара генов, по одному из каждого генома, включается в потенциальный регулон при выполнении двух условий: они являются ортологами, и поэтому, скорее всего, выполняют в клетке одну и ту же роль, и оба они имеют в регуляторной области потенциальный сайт рассматриваемого вида. Такой подход позволяет существенно уменьшить вероятность случайного предсказания неправильного операторного участка, особенно при анализе большого числа геномов, когда можно учесть возможность потери гена или регуляторного сайта (Mironov et al., 1999; Rodionov et al., 2000; Ravcheev и др. 2002).

Сравнительный подход позволяет не только переносить существующую информацию о регуляции из хорошо изученного генома на другие, менее изученные, геномы, но и предсказать новых членов изучаемого регулона, что особенно полезно для поиска недостающих генов в метаболических путях (Gelfand et al., 2000). Данная процедура была применена в нашей группе для анализа ряда бактериальных регулонов: регулонов биосинтеза пуринов и аргинина (Mironov et al., 1999) и ароматических аминокислот в гамма-протеобактериях (Panina et al., 2001), транспорт и метаболизм железа (Panina et al., 2001), и утилизацию различных Сахаров (Laikova et al., 2001; Rodionov et al., 2001 and 2000). В частности, с помощью сравнительного анализа пуринового регулона удалось обнаружить новое семейство пуриновых транспортеров в протеобактериях (Mironov et al., 1999), а также описать de novo регуляцию теплового шока, утилизации азота, и биосинтеза триптофана и пуринов у архебактерий (Gelfand et al., 2000).

SOS-OTBET У БАКТЕРИЙ

Механизмы репарации ДНК

SOS-ответ является реакцией бактериальной клетки на UV-излучение и ДНК-повреждающие вещества. Он может быть описан как быстрая мобилизация систем репарации ДНК. В SOS-ответе участвуют белки рекомбинационной и экзиционной репарации (продукты оперонов ruvAB и uwABC), гипермутирующая полимераза UmuDC, белки, регулирующие клеточное деление (SulA).

Механизмы коррекции неспаренных оснований и гомологичной рекомбинации описаны для Е. coli достаточно подробно.

Коррекция неспаренных оснований (КНО) в ДНК:

Неспаренные основания в ДНК могут возникать в результате трех событий:

1) прямого повреждения оснований ДНК или их предшественников продуктами клеточного метаболизма;

2) ошибочной подстановки некомплементарного основания ДНК-полимеразой в ходе репликации

3) рекомбинационной интеграции однонитевого участка ДНК в неабсолютно идентичную ДНК, партнера по рекомбинации.

Все события приведут к образованию гетеродуплексной ДНК, которая и становится субстратом для ферментов, корректирующих неправильные пары оснований. Процесс репарации ДНК при обнаружении ферментами неканонической пары в дуплексе ДНК проходит через ряд реакций. Обычно такая цепь реакций начинается с обнаружения и удаления одного из нуклеиновых оснований неканонической пары в ДНК, катализируемого соответствующим ферментом группы АР-эндонуклеаз типа II (апуриновых/апиримидиновых эндонуклеаз) (Kornberg и др., 1982 , Краевский и др., 1986).

Затем происходит гидролитическое расщепление З'-фосфоэфирной связи, причем фосфат остается в 5'-положении уходящей цепи ДНК. Далее с З'-концом в месте расщепления цепи связывается ДНК-полимераза бета, приводящая к образованию основания Шиффа между ферментом и З'-цепью ДНК, катализирующая гидролитическое удаление дезоксирибозилфосфатного остатка, таким образом освобождая З'-конец для включения соответствующего канонической паре нуклеотида.

Химический механизм реакции гидролитического удаления включает образование основания Шиффа между остатком Lys72 и альдегидной группой З'-гликозидного остатка. Далее, после включения в освободившееся положение соответствующего нуклеотидного остатка, ДНК-лигаза воссоединяет непрерывную цепь ДНК.

Наряду с описанным вариантом репарации известны и репарационные процессы, восстанавливающие повреждения одной из цепей ДНК, возникающие в результате мутагенного, лучевого и других воздействий. При этом, по-видимому, во всех случаях заключительные стадии заполнения малых брешей катализируются ДНК-полимеразой бета.

Рентгеноструктурный анализ комплексов (дДНК + ДНК-полимераза) и (дДНК + ДНК-полимераза+dNTP) показывает, что конформация ДНК-полимеразы бета в них сильно различается (Beard и др., 1998). При этом стадией, лимитирующей скорость процесса элонгации, является конформационное изменение, превращающее непродуктивный комплекс в продуктивный. Более того, такое превращение эффективно проходит лишь при образовании канонической комплементарной пары, вызывающей конформационное изменение за счет аллостерического влияния. Именно этот механизм главным образом обеспечивает точность синтеза, катализируемого ДНК-полимеразой бета.

Принято различать 2 системы КНО: с длинным ресинтезируемым трактом (ДКНО, LPMR, long patch mismatch repair) и очень коротким трактом (ОККНО, VSPMR, very short patch mismatch repair).

Гомологичная рекомбинация

Быстро делящиеся бактериальные клетки, содержащие несколько репликонов, образованных недореплицированными хромосомами, более устойчивы к действию ионизирующей радиации, которая индуцирует двухцепочечные разрывы ДНК, чем клетки с небольшим числом репликонов, находящиеся в стационарной фазе. Гаплоидные клетки дрожжей в фазе G1 перед началом синтеза ДНК чрезвычайно чувствительны к действию ионизирующей радиации, тогда как те же клетки в фазе G2 перед митозом так же устойчивы к ионизирующему излучению, как и диплоидные клетки.

Эти факты указывают на то, что для эффективного исправления повреждений, вызываемых ионизирующей радиацией, необходимо одновременное присутствие в клетке двух гомологичных молекул ДНК.

Процесс репарации разделяют на три этапа. В первой, пресинаптической, фазе репарации происходит внесение двухцепочечного разрыва в ДНК или, при его наличии, сразу осуществляется нуклеазное расщепление концов разрыва. В создании одноцепочечных З'-ОН-выступающих концов ДНК в месте разрыва принимает участие белок RecBCD, который обладает как хеликазной, так и экзонуклеазной активностями. RecBCD расплетает двухцепочечную молекулу ДНК в месте разрыва и гидролизует одну из цепей в направлении 5-3', оставляя выступающий одноцепочечный участок. Во второй фазе наблюдается синапсис гомологичных участков двух молекул ДНК с вхождением комплементарного одноцепочечного участка в ДНК-дуплекс и последующим репаративным синтезом ДНК. Поиск гомологичных участков и обмен цепями, необходимые для рекомбинации, происходят с участием белка RecA. В третьей, постсинаптической, фазе репарации образовавшиеся структуры Холлидея разделяются с помощью белков RuvA, -В и -С, RecG , а также белков SOS-системы репарации (RecN, UvrD, RecF и RecJ). Похожие механизмы используются клетками для рекомбинационной репарации одноцепочечных брешей, остающихся в молекулах ДНК из-за блокировки репликативного синтеза ДНК модифицированными нуклеотидами.

Многие продукты генов Е. coli и дрожжей, участвующие в рекомбинационной репарации повреждений ДНК, имеют гомологи у животных и человека. Отличительной особенностью эукариотической рекомбинации и репарации является вхождение соответствующих белков в многочисленные белковые комплексы, в частности транскриптосомы и реплисомы, что указывает на их важную роль в матричном биосинтезе нуклеиновых кислот эукариотических клеток

Роль полимераз в SOS-omeeme

В ответ на повреждение ДНК в клетке повышается концентрация разных типов полимераз, в том числе LexA-зависимым способом. В регулон LexA входят polB (ДНК полимераза II, отвечает за реактивацию реплисомы и старт репликации после остановки и стабилизацию репликационной вилки), dinP/dinB (ДНК полимераза IV, вовлечена в мутагенез). Одним из ключевых белковых комплексов, задействованных в SOS-ответе, является гипермутирующая полимераза V, кодируемая опероном umuDC (тисАВ), отвечающая за синтез ДНК de novo в местах значительных повреждений.

UmuC и DinB являются членами нового семейства полимераз, довольно широко распространенных среди различных таксономических групп

Friedberg и Gerlach, 1999, Woodgate, 1999). Функция генов dinB и итиС была показана относительно недавно (Wagner и др., 1999, Reuven и др., 1999, Tang и др., 1999). Первым членом этого семейства, для которого была показана полимеразная активность, был ген REV1 из Saccharomyces cerevisiae.

DinB обладает способностью к элонгации не полностью комплементарных праймер-матричных структур таким образом, что продукт синтеза становится на один нуклеотид короче по сравнению с тем, каким он мог быть в нормальных условиях. Это согласуется с тем, что in vivo наблюдались DinB-зависимые сдвиги рамки считывания. Полимераза DinB также характерна тем, что у нее отсутствует 3-5' экзонуклеазная активность.

Полимераза Pol V существует в виде комплекса UmuD^C (субъединица UmuD' получается в результате RecA-зависимого разрезания UmuD, Tang и др., 1999) и было показано (Truska и др., 1998), что в отсутствие PolB этот комплекс способен заполнять разрывы ДНК при повышенной температуре. В присутствии RecA, бета и гамма комплексов полимеразы III и белка SSB продукт полимеразной активности D2C содержал чрезвычайно много ошибок независимо от того, была ли повреждена ДНК-матрица.

Геномы гамма-протеобактерий содержат одну копию оперона umuDC на хромосоме в дополнение к нескольким плазмидным копиям оперона. Для большинства этих оперонов LexA-зависимая регуляция показана либо экспериментально, либо простым наблюдением потенциального SOS-бокса в 5-некодирующей области гена. С-концевой домен белка UmuD гомологичен С-концевому домену белка LexA, в то время как N-концевой домен UmuC гомологичен N-концевому домену другого белка Е. coli, DinP, представляющего собой DNA-полимеразу IV.

Генетика и механизмы регуляции SOS-ответау Е. coli

Е. coli чувствует повреждения ДНК благодаря тому, что белок RecA связывается с одноцепочечной ДНК, образуя нуклеопротеиновые филаменты

Walker, 1996). В результате взаимодействия LexA с нуклеопротеиновыми филаментами активизируется способность LexA к автопротеолизу, и этим # снимается репрессия генов SOS-ответа.

Сигнал связывания LexA SOS-бокс (SOS-box) представляет собой палиндром с последовательностью TACTGTATATATATACAGTA с сильно консервативными плечами и АТ-богатым спейсером (Lewin и др., 1994). К моменту начала исследования были экспериментально установлены регуляторные участки перед многими генами Е. coli и перед семью генами В. subtilis.

О SOS-ответе в Грам-положительных бактериях известно несколько меньше. Репрессорный белок DinR гомологичен LexA, но сходство ДНК-ф связывающих НТН (helix-turn-helix - спираль-поворот-спираль) доменов чрезвычайно мала. Соответственно, сигнал связывания, Чео-бокс (Cheo box), обладает совсем другой последовательностью, нежели SOS-бокс, однако сохраняет палиндромную структуру с АТ-богатым спейсером CGAACATATGTTCG (Cheo и др., 1991). К моменту начала исследования 4 никаких функциональных аналогов полимераз IV и V в геномах Грамположительных бактерий не было известно.

В предварительной работе нами были идентифицированы гены, кодирующие белки из семейства UmuC в геноме Bacillus subtilis (Gelfand and Mironov, 1999). Целью настоящего исследования было проанализировать детально распространение генов, кодирующих полимеразу V в Грам-положительных бактериях и протеобактериях.

ТЕПЛОВОЙ ШОК

Белки, регулируемые тепловым стрессом, в большинстве своем являются шаперонами и протеазами. Основное негативное последствие повышения температуры выше физиологического уровня - нарушение нормальной третичной структуры белка. Для устранения неправильно и свернутых белков в клетке активируется транскрипция белков, способных восстановить правильный фолдинг или распознать белок с ненормальный структурой и подвергнуть его лизису.

Регуляция генов теплового шока у Е. coli

Главный регулятор теплового шока в Е. coli, кодируемый геном гроН, был первым из открытых регуляторных сигма факторов Е. coli (Grossman и др., 1984). При исследовании 5'- некодирующей области гена гроН, был обнаружен еще один тип альтернативных промоторов, активируемый, как выяснилось, другим сигма фактором RpoE (а24), который работает в условиях экстремально высокой температуры (Erickson и др., 1989; Wang и др., 1989). Поскольку основные HSP (heat shock proteins - белки теплового шока) очень хорошо сохраняются между достаточно далекими в эволюционном смысле геномами, такими, как бактерии и эукариоты (Bardwell и др., 1984; Bardwell и др., 1987), их роль, скорее всего, критична для клетки, хотя и ясна еще не для всех HSP.

RpoH представлен в большом количестве геномов протеобактерий. Белок регулятор с32 является альтернативным сигма фактором, узнающим промотор (CTTGAAA-(12)-CCCCAT). Регул он RpoH включает в себя основные белки теплового стресса - шапероны (GrpE, GroESL, DnaKJ, HtpG) и протеазы (Clp, Lon).

Регуляция генов теплового шока у В. subtilis

Исторически в геноме В. subtilis гены теплового шока делились на три типа: первый (I) - регулон НгсА, второй (II) - регулон SigB, общий стресс, и третий (III) - регулон CtsR.

НгсА характерен тем, что связывается с элементом, обладающим палиндромной структурой (консенсус TTAGCACTC-(9)-GAGTGCTAA), который называется CIRCE. Впервые этот регуляторный элемент был описан в микобактериях (Baird и др. 1989). В общем случае в геноме находится один-два элемента CIRCE. В большинстве случаев, сайт связывания НгсА находится перед опероном groESL, кодирующим один из главных шаперонов, задействованных в тепловом стрессе, и, иногда, перед геном hrcA и опероном dnaKJ. В В. subtilis HrcA регулирует оперон hrcA-grpE-dnaKJ (Narberhaus and Bahl, 1992; Narberhaus и др; 1992). Система HrcA/CIRCE чрезвычайно консервативна и широко распространена среди различных таксономических групп, включая Грам-положительные бактерии, протеобактерии, цианобактерии, хламидии и спирохеты (Segal and Ron, 1996), однако ее представители практически отсутствуют в группе гамма-протеобактерий. Под регуляцией CtsR находятся некоторые высоко консервативные белки системы С1р, которые играют роль протеаз при теплового шоке и крайне важны для вирулентности и выживания некоторых патогенов (Derre и др, 1999) - Ортологи гена ctsR встречены в группе Грам-положительных бактерий вплоть до группы Clostridia. Сигнал представляет собой тандемный повтор с шагом 7 нуклеотидов (GTCAAAA.GTCAAAA).

ОБЩИЙ СТРЕСС

Регуляторный белок SigB является первым альтернативным сигма фактором, описанным у бактерий (Haldenwang и Losick, 1979, Haldenwang и Losick, 1980) распознающим промотор с консенсусной последовательностью AGTTTAC-(14)-GGGTAT, впервые описанный у гена spoVG той же группой. В дальнейшем исследования регулона SigB были продолжены группой Хекера (Hecker и др., 1988, Volker и др., 1992). Бойлан (Boylan и др. 1993) впервые обобщил опыт предыдущих исследований, предположив, что SigB является регулятором именно общего стресса, и индуцируется в момент, когда клетка попадает в различные неблагоприятные условия. По степени сложности регуляции общий стресс напоминает систему споруляции, и клетка, испытывающая условия, ограничивающие рост, неоднократно проходит точки выбора между репарацией и споруляцией (Price, 2000). Регулон SigB в В. subtilis достаточно обширен (по разным оценкам, от 75 до 200 генов; Price, 2000) и отвечает за устойчивость к повышению температуры, понижению и повышению рН, воздействию этанола и осмотический шок и оксидативный стресс. В регулон SigB входят протеазы теплового шока (С1р), которые, кроме того, входят у В. subtilis в регулон CtsR. В литературе была описана регуляция самого гена ctsR при помощи SigB (Kruger и др., 1996) Кроме того, в общем стрессе принимают участие белки-осмопротекторы (ОриЕ), каталазы (KatX, KatB), возможно участие белков множественной лекарственной устойчивости (Bmr) (Petersohn и др., 1999).

Регуляторпый каскад SigB в В. subtilis

Для регуляции общего стресса в В. subtilis существует сложный каскад сигма и антисигма факторов. SigB расположен в опероне rsbVW-sigB-rsbX, расположенном в 3'- области оперона rsbRSTU. Белки RsbV и RsbW являются основными регуляторами активности SigB. RsbW негативно регулирует активность SigB, являясь анти-сигма фактором, a RsbV репрессирует RsbW, действуя как анти-анти-сигма фактор. При благоприятных условиях, фосфорилирование RsbV по консервативному сериновому остатку предотвращает взаимодействие с RsbW, и, таким образом, RsbW может репрессировать SigB, предотвращая его взаимодействие с РНК-полимеразой (Alper и др., 1996, Benson and Haldenwang, 1993, Dufour and Haldenwang, 1994 Voelker и др., 1995). По всей видимости, на данный момент идентифицированы не все элементы, контролирующие степень фосфорилирование RsbV, однако известно, что фосфатаза RsbP, реагирующая на недостаток макроэргических веществ в клетке (Vijay и др., 2000), способна дефосфорилировать RsbV, и такой же способностью обладает RsbU, реагирующая на внешние стрессы (Voelker и др., 1995, Yang и др., 1996)

Рисунок 1. Схема регуляции SigB в В. subtilis

Кроме ctc, в регулон SigB входят гены, кодирующие АТФ-зависимую протеазу (clpP, Gerth и др. 1998), фактор контроля споруляции (bofC, Gomez and Cutting, 1997), факторы устойчивости к UV-излучению и метилметасульфонату (sms и comY, Kruger и др., 1997), регулятор генов теплового шока класса III (ctsR, Kruger и др., 1996), фактор устойчивости к оксидативному стрессу (dps, Antelmann и др., 1997), каталазы katB, katX, НАД-синтетазу (nadE, Antelmann и др., 1997), осмозависимый транспортер пролина (ориЕ, von Blohn и др., 1997), оперон, кодирующий гены множественной лекарственной устойчивости (bmr, Neyfakh и др. 1991), а так же ряд генов с неясной функцией: yacH, yacl, gsiB, gspA, csbC, csbD, csbX, ydaP, ydaG, yflA, yvyD и некоторые другие (Akbar и др., 1999, Antelmann и др., 1997, Kruger и др., 1996, Maul и др., 1995, Petersohn и др., 1999, Petersohn и др., 1999, Drzewiecki и др., 1998).

ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ

Ионы металлов различаются по характеру воздействия, оказываемого на живые организмы. Некоторые металлы, такие как железо, медь и марганец, являются важными компонентами ферментов, используются в процессах окисления-восстановления и регуляции осмотического давления. Другие металлы не имеют роли в метаболических процессах. Даже те металлы, которые необходимы клетке, могут быть токсичны при повышении концентрации. К отрицательным последствиям повышенной концентрации тяжелых металлов относятся повреждение ДНК и мембраны, дисфункция ферментов. Бактериальные клетки выработали ряд механизмов защиты от опасных концентраций тяжелых металлов, включающие изменение проницаемости мембраны, внутриклеточную и внешнюю секвестрация, транспортеры, белки, изменяющие степень окисления металла на менее опасную (Nies, 1999).

Бактериальные системы устойчивости к ионам тяжелых металлов регулируются транскрипционными факторами из семейств MerR (COG0789), ArsR/SmtB (Wu и Rosen, 1993), двухкомпонентных систем, таких как CusRS, SilRS и PcoRS, описанных в (San Francisco и др., 1990) и (Brown и др., 1995; Rouch and Brown, 1997; Silver, 2003), соответственно. В данной работе было рассмотрено семейство MerR (COG0789).

Семейство MerR состоит из регуляторов транскрипции, содержащих ДНК-связывающий домен вида спираль-поворот-спираль, способных как к репрессии, так и к активации (Nies, 1999). Кроме металл-связывающих регуляторов, в семейство входят регулятор ответа на окислительный стресс SoxR (Wu и др., 1991, Nies, 1999) и регуляторы множественной лекарственной устойчивости (например, TipA and BmrR). Металл-чувствительные регуляторы выделяются внутри семейства наличием консервативных цистеинов в фиксированных позициях (Brown, 2003).

Системы, регулируемые белками семейства MerR, включают в себя устойчивость к ионам ртути (собственно MerR), устойчивость к ионам цинка, никеля и кадмия (ZntR), меди (CueR and HmrR), кадмия и свинца (CadR) и ряду других токсических металлов . (Brown и др., 2003). Характерной особенностью семейства MerR является способ активации транскрипции регулируемых генов. Промотор регулируемого гена обладает спейсером длины 19 (MerR протеобактерий, CueR, HmrR, PbrR) или 20 (MerR Грам-положительных бактерий, ZntR), и, следовательно, субоптимален (Changela и др., 2003). Такие промоторы в нормальных условиях достаточно слабы (Brown, 2003). Механизм регуляции состоит в том, что белок-регулятор обладает способностью изгибать ДНК и, таким образом, изменять расстояние между боксами промотора, увеличивая его силу (Summers, 1992). В эксперименте с вставкой или делецией одного нуклеотида из промоторного спейсера было показано, что система потеряла регуляторную эффективность (Brown, 2003). MerR, белок, давший название семейству и описанный первым, регулирует свою собственную транскрипцию с промотора (Рг) перед геном merR, а также транскрипцию оперона тег, кодирующего белки, необходимые для освобождения клетки от ионов ртути (промотор Pt) (Kulkarni и др., 1999). В Е. coli, эти два промотора расположены дивергентно в непосредственной близости друг от друга таким образом, что регулятор может взаимодействовать одновременно с ними двумя. MerR садится таким образом, что контактирует с этими двумя промоторами одновременно. Изгиб ДНК и активация транскрипции происходят в присутствие ионов ртути, которые связываются с регулятором и меняют его конформацию. В отсутствие ионов ртути, транскрипция с промотора Pt репрессируется. Переключение с активации на репрессию не подразумевает диссоциацию регуляторного белка.

Регулоны семейства MerR/COG0789 чаще всего состоят из двух генов -транспортера ионов тяжелых металлов и собственно регулятора. Исключение составляют системы устойчивости к ионам ртути Hg(II) и свинца Pb (II), которые включают также ряд генов, отвечающих за изменение степени окисления иона (Hobman и др., 2005). Гены могут как располагаться в одном локусе - опероне или дивергоне, так и находиться в разных частях генома. Консенсусы палиндромных сайтов связывания специфичны для разных членов подсемейства (Brown, 2003, Hobman и др., 2003).

Регулятор семейства MerR/CC)G0789, ответственный за устойчивость к ионам меди, золота и серебра в гамма-протеобактериальных геномах Е. coli, S typhi, S. typhimurium, Y. pestis и Vibrio spp.), называется CueR, впервые он описан в (Stoyanov, 2001), тогда как регуляторы медной устойчивости в бета-и альфа-протеобактериях традиционно называются HmrR. Регуляция и CueR, и HmrR требует наличия промотора со спейсером в 19 пар нуклеотидов. Сигнал связывания CueR обладает консенсусом АССТТССС-(5)-TGGAAGGT (Brown, 2003), сигнал связывания HmrR описан как АССТТССAG-(3)-CTGGAAGG (Reeve и др., 2003).

Регуляторный сигнал MerR в протеобактериях состоит из промотора со спейсером в 19 нуклеотидных пар и палиндрома со структурой 7-4-7 и консенсусом TCCGTAC-(4)-GTACGGA. В Грам-положительных бактериях сигнал MerR обладает структурой типа 9-4-9 и консенсусом ACCGTGTAC-(4)-GTACAGGGT внутри 20-нуклеотидного спейсера.

CadR является кадмий-зависимым (и, частично, цинк-зависимым, Silver, 2003) регулятором промотора гена транспортера cadA. Локус pbrR, описанный в плазмиде рМОЬЗО из Cupriavidus metallidurans (Borremans и др., 2001, Chen и др., 2005), состоит из шести генов, кодирующих белки транспорта ионов Pb(II) PbrT, и PbrA, гены с предсказанной функцией pbrB, предсказанную сигнальную пептидазу pbrC и РЬ(П)-связывающий белок PbrD.

Сайт связывания ZntR представляет собой палиндром длины 22 с консенсусом ACTCTGGAGTCGACTCCAGAGT внутри 20-нуклеотидного промоторного.

Впервые регуляторная роль ZntR была показана в (Brocklehurst и др., 1999). Позднее было показано, что ZntR индуцируется ионами кадмия и свинца (Binet и др., 2000), а единственный регулируемый ZntR белок транспортер ZntA - способен к переносу этих ионов (Rensing и др., 1998, Rensing и др., 1997).

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Базы данных бактериальных геномов

Полные бактериальные геномы были взяты из банка данных Genbank (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/GenBank/; Benson и др., 2003). Предварительные нуклеотидные последовательности незаконченных геномов были также получены со следующих WEB-сайтов: the Institute for Genomic Research (http://www.tigr.org), the University of Oklahoma's Advanced Center for Genome Technology (http://www.genome.ou.edu/), the Wellcome Trust Sanger Institute (http://www.sanger.ac.uk/), the DOE Joint Genome Institute (http://igi.doe.gov). В работе используются индентификаторы генов из базы данных Genbank.

Компьютерные программы и методы для анализа геномов, а также отдельных нуклеотидных и белковых последовательностей

Комплекс программ Genome Explorer (Миронов и соавт., 2000) был использован для поиска ортологов в бактериальных геномах. Ортологичные белки были определены по критерию наибольшего сходства при двухстороннем поиске в двух геномах (Tatusov и др., 2000). Слабые гомологии между белками были обнаружены с помощью программы локального выравнивания PSI-BLAST (http.V/www.ncbi.nlm.nih.gov/BLAST/; Altschul и др., 1997). Для выравнивания нуклеотидных и аминокислотных последовательностей использовали программу ClustalX (Thompson и др., 1997). Филогенетические деревья были построены по методу максимального правдоподобия с использованием пакета программ PHYLIP (Felsenstein, 1981) и графически обработаны с использованием программы GenMaster Миронов А.А.).

Известные структурные и функциональные мотивы в белках были обнаружены с помощью поисковой системы, реализованной в банке данных InterPro (Mulder и др., 2000; http://www.ebi.ac.uk/interproA). Prosite () и системой NCBI Conserved Domain Database, ассоциированной с программой BLAST (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Structure/cdd/cdd.shtml).

Для конструирования распознающего правила для палиндромных и тандемных сайтов связывания регулятора применялась программа SignalX (Миронов и соавт., 2000), которая находит все возможные палиндромы в каждой нуклеотидной последовательности изучаемой выборки, а затем итеративно отбирает наиболее весомые палиндромы, общие для заданного количества последовательностей. В качестве распознающего правила для поиска потенциальных операторных участков ДНК использовалась матрица весов нуклеотидов. Данная матрица строится на основе выборки операторных участков, каждый из которых, в общем случае, имеет длину L. Вес w(a,i) нуклеотида "а" в позиции "/" рассчитывался по формуле: w(a,i) = log (N(a,i) + 0.5 ) 0.25 I,=A>CATlog (N(b,i) + 0.5 ), где N(a,i) - количество нуклеотидов "a" из нашей выборки, которые находятся в позиции /. Таким образом, используя данную матрицу, любому участку нуклеотидной последовательности длиной L можно поставить в соответствие вес S: s = l«=;.l w(ah0, где я, - нуклеотид в позиции /. Далее, можно ввести некоторое пороговое значение Sp, при котором, если вес S больше или равен этому значению, то данная последовательность признается потенциальным операторным участком, а в противном случае - нет. Используя такой подход, можно проанализировать области, находящиеся непосредственно перед началами генов для всего генома, и определить потенциальные операторные участки. Для поиска регуляторных ДНК-сигналов, удовлетворяющих данной матрице с заданным порогом распознавания, использовался комплекс программ Genome Explorer (Миронов и соавт., 2000)

Сравнительный анализ

Базовым геномом становился, как правило, тот, из которого были взяты сайты для построения матрицы позиционных весов (МПВ), т.е. наиболее экспериментально изученный. Естественным ограничением такого метода является неучет случаев, когда ген утерял регуляцию именно в базовом геноме. Для компенсации этого применялся метод попарных сравнений. В этом случае сравнивались рабочие выборки всех возможных пар геномов в изучаемой группе. Этим методом определялась таксон-специфическая регуляция.

Рисунок 1. Схема сравнительно-геномного анализа

Геном 1 о.

Геном 2

Геном N +?

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Заключение Диссертация по теме "Молекулярная биология", Пермина, Елизавета Алексеевна

выводы

1. Описана структура и состав регулонов SOS-ответа, теплового шока, общего стресса и устойчивости к тяжелым металлам в геномах рассмотренных групп.

2. Предсказана регуляция нескольких генов (ybbN- регул он RpoH, VV2052, VPA1012 и VCA0766 - регулон CueR).

3. Предсказана специфичность нескольких регуляторов и транспортеров, относящихся к системе устойчивости к ионам тяжелых металлов. Из 503 членов суперсемейства COG0789 для 109 предположена регуляция устойчивости к тяжелым металлам, из них 14 отнесено к подсемейству MerR Грам-положительного типа, 30 - к подсемейству MerR протеобактериального типа, 14 - к подсемейству CueR/HmrR, 6 - к подсемейству CadR/PbrR и 6 - к подсемейству ZntR. Во всех случаях определения конкретного подсемейства определены остальные потенциальные участники регулона

4. Проведено сравнение результатов сравнительно-геномного анализа и метода микрочипов. Для регулона SigB В. subtilis определена наиболее вероятная геном-специфическая и консервативная части регулона на основе анализа трех экспериментальных работ пр экспрессии на мирочипах и сравнительного анализа шести родствнных В. subtilis геномов.

5. Описаны регуляторные каскады и схемы пересечения регулнов, отвечающих ща тепловой стресс: регляция гена hrcA сигма-фактором RpoH у Achromobacter xylosoxidans, Ralstonia eutropha, R. solanocearum, Bordetella pertussis, B. parapertussis, Burkholderia pseudomallei, и репрессором CtsR у Lactococcus lactis, Listeria innocua, Listeria monocytogenes, Enterococcus fecalis, регуляция гена rpoH репрессором HrcA у Bordetella pertussis, Bortetella parapertussis и Methylobacillus flagellatus, двойная регуляция генов dnaKJ регуляторами SigB и CtsR, у Streptococcus pyogenes и Staphylococcus aureus.

БЛАГОДАРНОСТИ

Я благодарю Михаила Сергеевича Гельфанда за руководство, помощь в работе и терпение, Андрея Александровича Миронова за предоставленные программы, своих соавторов и коллег Ольгу Калинину и Алексея Казакова за хорошее сотрудничество и их часть работы в описании устойчивости к тяжелым металлам, Ладу Сычеву, описавшую таксон-специфическую регуляцию SOS-ответа, и Всеволода Юрьевича Макеева за поддержку и создание творческой атмосферы в лаборатории.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата биологических наук, Пермина, Елизавета Алексеевна, Москва

1. Akbar, S., С.М. Kang Т. A. Gaidenko, С. W. Price. 1997. Modulator protein RbsR regulates environmental signalling in the general stress pathway of Bacillus subtilis . Mol. Microbiol.24:567-578.

2. Akbar, S., S.Y. Lee, S.A. Boylan and C. W. Price. 1999. Two genes of Bacillus subtilis under sole control of general stress transcription factor cB. Microbiology, 145:1069-1078

3. Alper, S., A. Dufour, D.A. Garsin, L. Duncan, R. Losick. 1996. Role of adenosine nucleotides in the regulation of a stress-response transcription factor in Bacillus subtilis . J. Mol. Biol. 260: 165-177

4. Altschul S., T. Madden, A. Schaffer, J. Zhang, Z. Zhang, W. Miller, D. Lipman. 1997. Gapped BLAST and PSI-BLAST: a new generation of protein database search programs. Nucleic Acids Res. 25:3389-3402.

5. Antelmann H., R. Schmidt, M. Hecker. 1997. The NAD synthetase NadE (OutB) of Bacillus subtilis is a a3- dependent general stress protein. FEMS Microbiol. Lett. 153:405-409.

6. Antelmann, H., S. Engelmann, R. Schmidt, A. Sorokin, A. Lapidus, M. Hecker. 1997. Expression of a stress- and starvation-induced dps/pexB-homologous gene is controlled by the alternative sigma factior cB.in Bacillus subtilis . J.Bacteriol. 179:7251-7256

7. Arrigo, A.P. 1999. Gene expression and the thiol redox state. Free Radic Biol Med. 27: 936-44.

8. Baird, P.N., L.M. Hall, A.R. Coates. 1989.Cloning and sequence analysis of the 10 kDa antigen gene of Mycobacterium tuberculosis. J Gen Microbiol. 135: 931-9.

9. Bardwell, J.C. A., EA. Craig 1987. Eucariotic Mr 83,000 heat shockprotein has a homologue in Eschrichia coli. Proc. Acad. Sci. USA 84:5177-5181.

10. Bardwell, J.C.A., E. A. Craig. 1984. Major heat shock gene of Drosophila and the Echerichia coli heat inducible dnaK gene are homologous. Proc. Natl.Acad.Sci. USA 81:848-852.

11. Beard W.A., S.H. Wilson. Structural insights into DNA polymerase beta fidelity: hold tight if you want it right. Chem Biol. 1998. 5.R7-R13.

12. Benson, A.K. W.G.Haldenwang. 1993. Bacillus subtilis a13 is regulated by a binding protein (RsbW) that blocks its association with core RNA• polymerase. Proc.Natl. Acad. Sci. USA 90:2330-2334

13. Benson D.A., I. Karsch-Mizrachi, D.J. Lipman, J. Ostell, D.L Wheeler. 2003. GenBank. Nucleic Acids Res. 31: 23-7.

14. Binet M.R., R.K. Poole. 2000. Cd(II), Pb(II) and Zn(II) ions regulate expression of the metal-transporting P-type ATPase ZntA in Escherichia coli. FEBS Lett. 473:67-70.

15. Borremans, B, J. L. Hobman, A. Provoost, N. L. Brown, D. van der Lelie. 2001. Cloning and functional analysis of the pbr lead resistance determinant of Ralstonia metallidurans CH34. J. Bacteriol. 183:56515658.

16. Boylan, S.A., A.R. Redfield, M.S.Brody, C.W.Price. 1993. Stress-inducedactivation of aD transcriptional factor of Bacillus subtilis. J. Bacteriol. 175:7931-7937

17. Brocklehurst K. R., J. L. Hobman, B. Lawley, L. Blank, S. J. Marshall, N. L. Brown, A. P. Morby. 1999. ZntR is a Zn(II)-responsive MerR-like transcriptional regulator of zntA in Escherichia coli. Mol. Microbiol. 31:893-902.

18. Brocklehurst К. R., S. J. Megit, A. P. Morby. 2003. Characterisation of CadR from Pseudomonas aeruginosa: a Cd(II)-responsive MerR homologue. Biochem.Biophys.Res.Commun. 308:234-239.

19. Brown N. L., J. V. Stoyanov, S. P. Kidd, J. L. Hobman. 2003. The MerR family of transcriptional regulators. FEMS Microbiology Reviews, 27:145163

20. Brown N. L., S. R. Barrett, J. Camakaris, В. T. Lee, D. A. Rouch. 1995. Molecular genetics and transport analysis of the copper-resistance determinant (pco) from Escherichia coli plasmid pRJ1004. Mol. Microbiol, 6:1153-66

21. Changela A., K. Chen, Y. Xue, J. Holschen, С. E. Outten, Т. V. O'Halloran, A. Mondragon. 2003. Molecular Basis of Metal-Ion Selectivity and Zeptomolar Sensitivity by CueR. Science, 301:1383-1387

22. Chen P., B. Greenberg, S. Taghavi, C.Romano, D. van der Lelie, C.He. An Exceptionally Selective Lead(II)-Regulatory Protein from Ralstonia metallidurans: Development of a Fluorescent Lead(II) Probe. Angew. Chem. Int. Ed. 44:2-6

23. Cheo, D.L., K.W. Bayles, R.E. Yasbin. 1991. Cloning and characterization of DNA damage-inducible promoter regions from Bacillus subtilis. J. Bacteriol. 173:1696-1703.

24. Derre, I., G. Rappoport, T. Msadek. 1999. CtsR, a novel regulator of stress and heat shock response, controls clp and molecular chaperone gene expression in Gram-positive bacteria. Mol. Microbiol. 31:117-131.

25. Drzewiecki, К., C. Eymann, G. Mittenhuber, M. Hecker. 1998. The yvyD gene of Bacillus subtilis under dual control of oB and o11. J. Bacteriol. 180:6674-6680.

26. Dufour, A., W. G. Haldenwang. 1994. Interactions between a Bacillus subtilis anti-sigma factor (RsbW) and its antagonist (RsbV). J.Bacteriol. 176:1813-1820.

27. Erickson, J. W., C. A. Gross. 1989. Identification of the 0е subunit of Escherichia coli RNA polymerase: a second alternate a factor involved in high-temperature gene expression. Genes Dev. 3:1462-1471.

28. Felsenstein, J., 1989. PHYLIP Phylogeny Inference Package (Version 3.2). Cladistics 5,164-166.

29. Friedberg, E.G., V. L. Gerlach. 1999. Novel DNA polymerases offer clues to the molecular basis of mutagenesis. Cell 98:413-416

30. Gelfand M.S., P.S. Novichkov, E.S. Novichkova, A.A. Mironov. 2000. Comparative analysis of regulatory patterns in bacterial genomes. Brief. Bioinform., 1: 357-371.

31. Gelfand, M.S., A.A. Mironov. 1999. Computer analysis of regulatory signals in complete bacterial genomes. LexA and DinR binding sites. Mol. Biol. 33:680-686.

32. Gomez M., S. M. Cutting. 1997. BofC encodes a putative forespore regulator of the Bacillus subtilis оK checkpoint. Microbiology 143:157170.

33. Grass G, C. Rensing. 2001. CueO is a multicopper oxidase that confers copper tolerance in Escherichia coli. 2001. Biochem Biophys Res Commun 286:902-908

34. Grass G, С. Rensing. 2001b. Genes, involved in copper homeostasis in Escherichia coli. J. Bacteriol. 183:2145-2147

35. Gross, C. A. 1996. Function and Regulation of the Heat Shock Proteins. Escherichia coli and Salmonella, Cellular and Molecular Biology, Vol. 1. ASM Press, Washington, DC, pp 1389-1399, Chapter 88.

36. Grossman, A. D., J. W. Ericson, and C. A. Gross. 1984 The htpR gene product of E. coli is a sigma factor for heat-shock promoters. Cell 38:383390

37. Guzzo, J., M.P. Jobin, F. Delmas, L.C. Fortier, D. Garmyn, R. Tourdot-Marechal, B. Lee , C. Divies. 2000. Regulation of stress response in Oenococcus oeni as a function of environmental changes and growth phase. Int. J. Food Microbiol. 55:27-31.

38. Haldenwang, W. G., R. Losick. 1979. A modified RNA polymerase transcribes a cloned gene under sporulation control in Bacillus subtilis . Nature 282: 256-260.

39. Haldenwang, W. G., R. Losick. 1980. Novel RNA polymerase sigma factor from Bacillus subtilis . Proc. Natl. Acad. Sci. USA 77:7000-7004.

40. Hecker, M., W. Schumann, U. Volker. 1996. Heat-shock and general stress response in Bacillus subtilis . Mol. Microbiol. 19:417-428.

41. Helmann, J. D., M. F. W. Wu, P. A. Kobel, F.-J. Gamo, M. Wilson, M. M. Morshedi, MNavre, C. Paddon. 2001. Global transcriptional response of Bacillus subtilis to heat shock. J. Bacteriol. 183:7318-7328

42. Hobman J.L., J. Wilkie, N.L. Brown. 2005. A design for life: prokaryotic metal-binding MerR family regulators. Biometals. 18:429-436.

43. Jobin, M.P., D. Garmyn, C. Divies, J. Guzzo. 1999. Expression of the Oenococcus oeni trxA gene is induced by hydrogen peroxide and heat shock. Microbiology. 145:1245-1251.

44. Kornberg A. 1982. Supplement to DNA Replication. San Francisco, W.H. Freeman and Co., pp. 1-203.

45. Kruger, E., M. Hecker. 1998. The first gene of the Bacillus subtilis clpC operon, ctsR, encodes a negative regulator of its own operon and other class III heat shock genes. J. Bacterid. 180:6681-6688.

46. Kruger, E., T. Msadek, S. Ohlmeier, M. Hecker. 1997. The Bacillus subtilis clpC operon encodes DNA repair and competence proteins. Microbiology 143:1309-1316.

47. Kulkarni R.D., A.O. Summers. 1999. MerR cross-links to the alpha, beta, and sigma 70 subunits of RNA polymerase in the preinitiation complex at the merTPCAD promoter. Biochemistry, 38:3362-3368.

48. Kunst, F., N. Ogasawara, и др. 1997. The complete genome sequence of the gram-positive bacterium Bacillus subtilis . Nature 390, 249-256

49. Laikova O.N., A.A. Mironov, M.S Gelfand. 2001. Computational analysis of the transcriptional regulation of pentose utilization systems in the gamma subdivision ofProteobacteria. FEMS Microbiol Lett. 205:315-322

50. Lee S.W., E. Glickmann, D. A. Cooksey. 2001. Chromosomal Locus for Cadmium Resistance in Pseudomonas putida consisting of a Cadmium-Transporting ATPase and a MerR Family Response Regulator. Appl. Environ. Microbiol. 67:1437-1444.

51. Lewin, K.L., G.R. Harlow, L.A. Gregg-Jolly, D.W. Mount. 1994. Identification of high affinity binding sites for LexA which define new DNA damage-inducible genes in Escherichia coli. J. Mol. Biol. 241: 507523

52. Maul, В., U. Voelker, S. Riethdorf, S. Engelmann, M. Hecker. 1995. independent regulation of gsiB in responseto multiple stimuli in Bacillus subtilis . Mol. Gen.Genet. 248:114-120.

53. Mironov A.A., E.V. Koonin, M.A. Roytberg, M.S.Gelfand. 1999. Computer analysis of transcription regulatory patterns in completely sequenced bacterial genomes. Nucleic Acids Res. 27:2981-2989

54. Narberhaus, F. 1999. Negative regulation of bacterial heat shock genes. Mol Microbiol. 31: 1-8.

55. Narberhaus, F., H. Bahl. 1992. Cloning, sequencing, and molecular analysis of the groESL operon of Clostridium acetobutylicum. J. Bacteriol. 174: 3282-9.

56. Narberhaus, F., K. Giebeler, H. Bahl. 1992. Molecular characterization of the dnaK gene region of Clostridium acetobutylicum, including grpE, dnaJ, and a new heat shock gene. J Bacteriol. 174: 3290-9.

57. Neyfakh, A. A., V. E. Bidnenko, L.B. Chen. 1991. Efflux-mediated multidrug resistance in Bacillus subtilis: similarities and dissimilarities with the mammalian system. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 88:4781-4785.

58. Outten F.W., D.L. Huffman, J.A. Hale, T.V. O'Halloran. 2001. The independent cue and cus systems confer copper tolerance during aerobic and anaerobic growth in Escherichia coli. J. Biol Chem. 276:30670-7.

59. Panina E.M., A.A. Mironov, M.S. Gelfand. 2001. Comparative analysis of FUR regulons in gamma-proteobacteria. Nucleic Acids Res. 29:5195-5206

60. Petersohn A., H. Antelmann, U. Gerth, M. Hecker. 1999. Identification and transcriptional analysis of new members of the oB regulon in Bacillus subtilis . Microbiology 145:869-880.

61. Petersohn, A., M. Bruggila, S. Haas, J.D. Hohensel, U. Voelker, M. Hecker. 2001. Global Analysis of the General Stress Response of Bacillus subtilis . J. Bacteriol. 183:5617-5631.

62. Price, C. W. 2000. Protective function and regulation of the general stress response in Bacillus subtilis and related Gram-positive bacteria, in Bacterial Stress Response, ed. G. Storz, R. Hengge-Aronis. ASM Press, Washington D.C. pp 179-197.

63. Price, C. W., P. Fawcett, H. Ceremonie, N. Su, С. K. Murphy, P. Youngman. 2001. Genome-wide analysis of the general stress response in Bacillus subtilis. Mol.Microbiol. 41:757-774.

64. Reeve W. G., R. P. Tiwari, N. B. Kale, M. J. Dilworth, A. R. Glenn. 2002. ActP controls copper homeostasis in Rhizobium leguminosarum bv. viciae and Sinorhizobium meliloti preventing low pH-induced copper toxicity. Mol Microbiol. 43:981-91.

65. Reisenauer, A., C.D. Mohr, L. Shapiro. 1996. Regulation of a heat shock sigma32 homolog in Caulobacter crescentus. J. Bacteriol. 178:1919-27.

66. Rensing, С., В. Mitra, В. P. Rosen. 1997. The zntA gene of Escherichia coli encodes a Zn(II)-translocating P-type ATPase. Proc Natl Acad Sci U S A., 94(26): 14326-14331.

67. Rensing, С., B. Mitra, B.P. Rosen. 1998. A Zn(II)-translocating P-type ATPase from Proteus mirabilis. Biochem. Cell. Biol. 76:787-90.

68. Reuven, N. В., G. Arad, A. Maor-Shoshano, Z. Livneh. 1999. The mutagenesis protein UmuC is a DNA polymerase, activated by UmuD', RecA, and SSB and specialized for translesion synthesis. J. Biol. Chem. 274:31763-31766.

69. Rodionov D.A., A.A. Mironov, A.B. Rakhmaninova, M.S. Gelfand. 2000. Transcriptional regulation of transport and utilization systems for hexuronides, hexuronates and hexonates in gamma purple bacteria. Mol. Microbiol. 38:673-683.

70. Rodionov D.A., A.A. Mironov, M. S. Gelfand. 2001. Transcriptional regulation of pentose utilisation systems in the Bacillus/Clostridium group of bacteria. FEMS Microbiol Lett. 205:305-314.

71. Rouch D. A., N. L. Brown. 1997. Copper-inducible transcriptional regulation at two promoters in the Escherichia coli copper resistance determinantpco. Microbiology. 143(4): 1191-202.

72. Segal, G., E.Z. Ron. 1996. Heat shock activation of the groESL operon of Agrobacterium tumefaciens and the regulatory roles of the inverted repeat. J. Bacterid. 178: 3634-3640.

73. Silver S. 2003. Bacterial silver resistance: molecular biology and uses and misuses of silver compounds. FEMS Microbiol Rev. 27:341-53.

74. Stoyanov J. V., J. L. Hobman, N. L. Brown. 2001. CueR (YbbI) of Escherichia coli is a MerR family regulator controlling expression of the copper exporter CopA. Mol. Microbiol. 39:502-511.

75. Summers A.O. 1992. Untwist and shout a heavy metal responsive transcriptional regulator. J. Bacteriol. 174:3097-3101

76. Tang, M., X. Shen, E. Frank, M. O'Donnel, R. Woodgate, M. Goodman. 1999. UmuD(2)C is an error-prone DNA polymerase, Escherichia coli polV. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 96:8919-8924.

77. Thompson J.D., T.J. Gibson, F. Plewniak, F. Jeanmougin, D.G. Higgins. 1997. The CLUSTALX windows interface: flexible strategies for multiple sequence alignment aided by quality analysis tools. Nucleic Acids Res. 25: 4876-4882.

78. Truska, D., S. Scott, C. Thompson, D. Bramhill. 1998. Bacterial SOS checkpoint protein SulA inhibits polymerization of purified FtsZ cell division protein. J. Bactiriol. 180: 3946-3953.

79. Vijay, К., M. S. Brody, E. Fredlund, C. W. Price. 2000. A PP2C phosphotase containing a PAS domain is required to convey signals of energy stress to the cB transcription factor of Bacillus subtilis . Mol. Microbiol. 35: 180-188.

80. Voelker, U. A. Voelker, B. Maul, M. Hecker, A. Dufour, W. G. Haldenwang. 1995. Separate mechanisms activate oB of Bacillus subtilis in response to environmental and metabolic stresses. J. Bacteriol. 177:3771-3780.

81. Wang Y., M. J. Moore, H. S. Levinson, S. Silver, С. T. Walsh. 1989. Nucleotide sequence of a chromosomal mercury resistance determinant from a Bacillus sp. with broad spectrum mercury-resistance. J. Bacteriol. 171:83-92.

82. Woodgate, R. 1999. A plethora of lesion-replicating polymerases. Genes Dev. 13:2191-2195.

83. Wu J., B. P. Rosen. 1991. The ArsR protein is a trans-acting regulatory ^ protein. Mol. Microbiol, 5:1331-1336.

84. Wu J., B. P. Rosen. 1993. Metalloregulated expression of the ars operon. J. Biol. Chem. 268:52-58.

85. Yang H., M. Y. Liu, T. Romeo. 1996. Coordinate genetic regulation of glycogen catabolism and biosynthesis in Escherichia coli via the CsrA gene product. J. Bacteriol. 178(4): 1012-1017.

86. Yasbin, R.E., D.L. Cheo, K.W. Bayles. 1991. The SOB system of Bacillus subtilis'. a global regulon involved in DNA repair and differentiation. Res Microbiol. 142:885-892.

87. Краевский А.А., Куханова M.K. 1986. Итоги науки и техники, серия Молекулярная биология. Т. 22. С. 3-164

88. Равчеев Д.А., М.С. Гельфанд, А.А Миронов, А.Б. Рахманинова. 2002. Пуриновый регулон гамма-протеобактерий. Детальное описание. Генетика. 38:1203-1214.

Информация о работе

Пермина, Елизавета Алексеевна
кандидата биологических наук
Москва, 2006
ВАК 03.00.03

Диссертация

Изучение регулонов бактериального стресса методами сравнительной геномики - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы