Реконструкция метаболизма витаминных коферментов в бактериях методами сравнительной геномики

• Автор: Родионов, Дмитрий Александрович
• Шифр специальности: 03.00.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 151 с. : ил

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

Глава I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1. Метаболизм витаминных коферментов у бактерий
1.1. Рибофлавин (витамин Вг)
1.2. Биотин (витамин Н)
1.3. Тиамин (витамин В i)
1.4. Кобаламин (витамин В12)
2. Механизмы регуляции биосинтеза витаминных коферментов у бактерий
2.1. Регуляция rib оперона у В. subtilis. RFN элемент
2.2. Регуляция генов биосинтеза биотина. Репрессор BirA
2.3. Регуляция генов биосинтеза и транспорта тиамина
2.4. Регуляция cob оперона и транспортера витамина В12 у энтеробактерий
3. Современные методы сравнительной геномики
3.1. Методы, основанные на сходстве аминокислотных последовательностей 29 белков
3.2. Кластеризация генов на хромосоме и случаи слияния генов
3.3. Метаболическая реконструкция и профили встречаемости генов
3.4. Анализ общих регуляторных сигналов
Глава II. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
1. Банки данных геномных последовательностей 3
2. Компьютерные программы и методы для анализа геномов, а также отдельных 37 нуклеотидных и белковых последовательностьй
Глава III. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
1. Реконструкция метаболизма рибофлавина и анализ регуляторных jRTW-элементов у бактерий
1.1. Распределение генов биосинтеза и транспорта рибофлавина и RFN-
элементов в бактериальных геномах
1.2. Структура RFN-элементов и возможный механизм регуляции рибофлавином
1.3. Филогенетический анализ рибофлавиновых генов и ЙГА-элементов
1.4. Обсуждение и выводы

2. Реконструкция метаболизма биотина и регулона BirA у прокариот
2.1. Распределение генов биосинтеза биотина и генов birA у прокариот
2.2. Биотиновый регулон BirA
2.3. Новые гены биотинового регулона
2.4. Позиционный анализ генов и реконструкция метаболизма биотина у 69 прокариот
2.5. Обсуждение
3. Реконструкция метаболизма тиамина и анализ регуляторных 72//-элементов у прокариот
3.1. Распределение генов биосинтеза и транспорта тиамина и 7777-элементов в 76 бактериальных геномах
3.2. Новые регулируемые 7777-элементом гены
3.2.1. Транспортеры
3.2.2. Ферменты
3.3. Структура 7777-элементов и возможный механизм регуляции
3.4. Реконструкция метаболизма тиамина в геномах прокариот
4. Реконструкция метаболизма кобаламина и анализ регуляторных B/2-элементов у бактерий
4.1. Распределение генов биосинтеза и транспорта кобаламина и 572-элементов в 103 бактериальных геномах
4.2. Транспортеры витамина В12
4.3. Транспортеры кобальта
4.4. Кобальтохелатазы
4.5. Кобальторедуктазы
4.6. АТФ-корриноид аденозилтрансферазы
4.7. Гены, необходимые для сборки нуклеотидной петли кобаламина
4.8. Остальные гены, ассоциированные с биосинтезом кобаламина
4.9. Различия в метаболических путях биосинтеза кобаламина у прокариот
4.10. 572-регулируемые ферменты, не имеющие отношения к биосинтезу 124 кобаламина
4.11. Консервативная структура 572-элемента
4.12. Обсуждение ,
ВЫВОДЫ
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Витаминные коферменты относятся к компонентам каталитического аппарата клетки и присутствуют в ней обычно в очень малых количествах по сравнению с другими низкомолекулярными соединениями, такими как аминокислоты, нуклеотиды, сахара. В организме человека и животных они образуются из экзогенных витаминов; только прототрофные микроорганизмы и растения синтезируют коферменты из простых питательных веществ среды.
Сложность химического строения и очень низкое содержание в организмах явились серьезным препятствием в исследовании метаболических путей образования многих витаминных коферментов и механизмов регуляции этих процессов в клетке. Отставание в этой области затрудняет создание общей теории регуляции биосинтеза ферментов, значительную часть которых составляют сложные белки, содержащие в качестве простетической группы витаминные коферменты или родственные вещества. Изучение метаболических путей биосинтеза витаминов и их механизмов регуляции важно также в практическом отношении для развития тех отделов микробиологической промышленности, которые занимаются производством витаминов и их производных.
В последнее время у исследователей появляются новые возможности компьютерного анализа геномов, связанные с значительным ростом количества полностью секвенированных геномов. На данный момент известны последовательности около 100 полных бактериальных геномов и около 150 - не законченных до конца. Сравнительный анализ большого числа различных секвенированных геномов произвел переворот в области функциональной аннотации генов. Для ответа на вопрос "Какова наиболее вероятная функция данного гена?" до недавнего времени использовался исключительно перенос экспериментально установленных функций белков из одного вида на другие, основанный на сходстве аминокислотных последовательностей. Для осуществления поиска родственных последовательностей по банку данных (таких как Genbank, Swiss-Prot и др.) были разработаны программные комплексы BLAST (Altschul et al., 1994) и FASTA (Pearson, 1990).
Несмотря на общий успех, методы основанные на сходстве аминокислотных последовательностей не способны определить функции многих генов, а также могут приводить к неточным (или даже неправильным) аннотациям генов. Такие

геномов, которые образуют COG0802 (Galperin, 2001). Филогенетический паттерн для этого КОГа показал наличие YjeE во всех бактериальных геномах за исключением геномов Mycoplasma genitalium, Mycoplasma pneumoniae и Ureaplasma urealyticum. Эти три бактерии - единственные из базы данных COG бактерии, которые не имеют клеточной стенки. Поскольку остальные консервативные белки с таким же филогенетическим паттерном (MurA, MurB, MurG, FtsI, FtsW, DdlA) представляют собой ферменты, участвующие в синтезе клеточной стенки, было предположено, что YjeE также участвует в этом клеточном процессе. Это предсказание подтвердилось позиционнной сцепленностью гена yjeE с геном ацетилмурамоил-аланин амидазы, участвующей в синтезе клеточной стенки.
Несколько иной подход анализа филогенетических паттернов заключается в идентификации групп генов, которые одновременно отсутствуют в ряде геномов. Такой подход основан на широкораспространенном феномене видоспецифичной потери генов. Систематический анализ "одновременно потерянных генов", проведенный на геномах двух дрожжей, позволил предсказать новую группу белков, участвующую в посттранскрипционной регуляции генов (Aravind et al., 2000).
3.4. Анализ общих регуляторных сигналов
Поиск операторных участков (далее - сигналов) в бактериальных геномах также является важным компьютерным методом, используемым при предсказании функций генов. Общая методология построения правила для распознавания сигналов состоит из следующих шагов. На первом этапе необходимо составить выборку сигналов, отвечающих исследуемому регуляторному белку. Для этого составляется список совместно регулируемых генов, принадлежащих одноиу регулону, который можно получить из различных экспериментов по экспрессии генов. После этого 5'-некодирующие области собранных генов выравниваются с целью обнаружить консервативные области. На втором этапе строится распознающее правило на основе полученной обучающей выборки. В наиболее простом варианте это может быть консенсусная последовательность. Более сложная процедура построения распознающего правила включает в себя построение позиционной матрицы весов нуклеотидов, которая 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.