邢立剛-微生物基因組中基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)與演化課件

微生物基因組中基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)與演化邢立剛

2008年6月11日

微生物基因組中基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)與演化邢立剛2008年61關(guān)鍵詞：基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)錄蛋白質(zhì)-DNA相互作用原核生物進(jìn)化摘要：隨著大量微生物基因組序列的獲得，至少在模式生物上從比較學(xué)的角度去理解調(diào)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能成為可能。最近的研究主要集中在調(diào)控網(wǎng)絡(luò)及其組件的拓?fù)湫再|(zhì)與進(jìn)化方面。我們對(duì)于基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的理解為對(duì)生物體中內(nèi)在的綜合調(diào)節(jié)系統(tǒng)的研究奠定了基礎(chǔ)。有助于我們更加詳細(xì)的理解生物體的多樣性。關(guān)鍵詞：摘要：2介紹在后基因組時(shí)代最大的挑戰(zhàn)之一是闡明在生物體中所有可能的刺激及其應(yīng)答的完整基因表達(dá)程序。雖然完整序列基因組數(shù)量增長(zhǎng)迅速，但我們關(guān)于轉(zhuǎn)錄調(diào)控的知識(shí)只限于少數(shù)模式生物。生物體提供大量的DNA片段來(lái)編碼順式調(diào)控元件，另外還提供一個(gè)重要的蛋白質(zhì)編碼基因片段編碼TFs，這兩個(gè)方面在轉(zhuǎn)錄水平上控制和協(xié)調(diào)基因表達(dá)發(fā)揮著重要的作用。闡明轉(zhuǎn)錄程序的原理和結(jié)構(gòu)，對(duì)于了解環(huán)境干擾所引起的細(xì)胞反應(yīng)和一些微生物引起疾病的分子基礎(chǔ)是必需的。介紹3現(xiàn)在一個(gè)普遍接受的概念是轉(zhuǎn)錄調(diào)控是由TFs和TGs組成的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。然而，在一個(gè)較低抽象水平上，轉(zhuǎn)錄子包括許多順式調(diào)控元件（如啟動(dòng)子、TF結(jié)合位點(diǎn)和轉(zhuǎn)錄終止子）和反式作用因子（如TFs和sigma因子）。順式和反式元件之間的相互作用控制細(xì)胞中每個(gè)基因的轉(zhuǎn)錄狀態(tài)（見(jiàn)Fig.1）。雖然現(xiàn)在的研究越來(lái)越多的表明：在真核生物和原核生物中通過(guò)非編碼ＲＮＡｓ的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控在生命體扮演著非常重要的作用。在這里我們查閱了在微生物體內(nèi)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控的計(jì)算機(jī)分析的最新進(jìn)展。首先討論了所取得的反式和順式元件識(shí)別的進(jìn)展水平，最后從網(wǎng)絡(luò)的角度綜合形成了對(duì)微生物轉(zhuǎn)錄調(diào)控的理解。現(xiàn)在一個(gè)普遍接受的概念是轉(zhuǎn)錄調(diào)控是由TFs和T4邢立剛-微生物基因組中基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)與演化課件52．反式作用因子的演化在反式作用水平上，許多蛋白質(zhì)家族如sigma因子和TFs在基因表達(dá)的調(diào)控方面起著重要的作用。轉(zhuǎn)錄作用取決于生物體面臨的環(huán)境條件及所受的刺激，而這些元件有利于促進(jìn)轉(zhuǎn)錄作用網(wǎng)絡(luò)的銜接。盡管最近幾年我們對(duì)于反式作用因子的數(shù)量及組成成分的了解大大提高，但對(duì)于這些蛋白所起作用的認(rèn)識(shí)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。2．反式作用因子的演化62.1sigma因子sigma因子是形成原核RNA聚合酶的可解離亞基的一類(lèi)蛋白質(zhì)。sigma因子和ＲＮＡ聚合酶核心酶結(jié)合是轉(zhuǎn)錄開(kāi)始的基礎(chǔ)，是轉(zhuǎn)錄過(guò)程中的一個(gè)重要步驟。sigma因子在啟動(dòng)子和ＲＮＡ聚合酶特異識(shí)別中起到了一個(gè)橋梁的作用，從而促使DNA鏈分離。之后sigma因子從RNA聚合酶核心酶上解離下來(lái)，在下次反應(yīng)時(shí)再被利用。對(duì)于不同的RNA序列或者是不同的基因，同一個(gè)sigma因子與其RNA聚合酶核心酶結(jié)合的緊密程度是不同的。另外，已知sigma因子與RNA聚合酶核心酶結(jié)合的親和力大小會(huì)影響基因轉(zhuǎn)錄的起始頻率。換句話說(shuō)就是會(huì)影響特定基因表達(dá)量的大小，從而對(duì)生命活動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。在細(xì)菌基因組中sigma因子的編碼具有高度可變性。sigma因子可以被分成兩類(lèi)結(jié)構(gòu)和種類(lèi)不同的家族：sigma70和sigma54兩個(gè)家族。2.1sigma因子72.2作為轉(zhuǎn)錄控制調(diào)節(jié)器的DNA結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子

在生物體中基因表達(dá)調(diào)控主要是通過(guò)DNA結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子來(lái)實(shí)現(xiàn)的。TFs在大多數(shù)基因組中形成了最大的蛋白質(zhì)家族之一。轉(zhuǎn)錄因子是激活或抑制基因和操縱子的轉(zhuǎn)錄。在細(xì)菌基因組中大多數(shù)轉(zhuǎn)錄因子形成二聚體，與DNA上的順式調(diào)控元件結(jié)合來(lái)控制轉(zhuǎn)錄起始。在公開(kāi)的完整序列基因組中，在天藍(lán)色鏈霉菌中觀察到大量的轉(zhuǎn)錄因子。細(xì)菌基因組中的轉(zhuǎn)錄因子部分以整個(gè)基因組總數(shù)的平方為衡量尺度。2.2作為轉(zhuǎn)錄控制調(diào)節(jié)器的DNA結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子8依照它們?cè)谔囟▎?dòng)子上的作用方式轉(zhuǎn)錄因子可被分為激活物、抑制物或二元調(diào)節(jié)器。通過(guò)啟動(dòng)子刺激RNA聚合酶激活刺激靶基因的表達(dá)。眾所周知激活作用是通過(guò)結(jié)合轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)上游的轉(zhuǎn)錄因子而發(fā)生的，經(jīng)常在上游的啟動(dòng)子元件的-35區(qū)。對(duì)于轉(zhuǎn)錄負(fù)控制，轉(zhuǎn)錄因子通過(guò)結(jié)合ＤＮＡ來(lái)阻止ＲＮＡ聚合酶的起始轉(zhuǎn)錄，從而起到了抑制劑的作用。轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)的下游時(shí)就會(huì)發(fā)生阻遏，導(dǎo)致啟動(dòng)子元件在-35區(qū)和-10區(qū)成環(huán)，從而通過(guò)位阻來(lái)阻斷RNA聚合酶。計(jì)算機(jī)分析表明抑制物在大腸桿菌和桿狀菌中占優(yōu)勢(shì)地位，有可能共同進(jìn)化與它們的靶基因密切相關(guān)的基因組。依照它們?cè)谔囟▎?dòng)子上的作用方式轉(zhuǎn)錄因子可被分為激活物9整體的轉(zhuǎn)錄調(diào)控可以理解為：調(diào)控大量屬于不同功能類(lèi)的基因，通過(guò)直接和間接影響不同的細(xì)胞途徑和按照用不同的sigma因子作用目標(biāo)啟動(dòng)子來(lái)控制復(fù)合調(diào)控級(jí)聯(lián)。根據(jù)這些，提出了大腸桿菌中的七個(gè)整體調(diào)節(jié)器。在整個(gè)轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中大約控制50%多的基因。最近許多研究用轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合性作為一種簡(jiǎn)化的量度來(lái)估定轉(zhuǎn)錄因子的整體性質(zhì)。整體的轉(zhuǎn)錄調(diào)控可以理解為：103．順式調(diào)控元件的演化近年以來(lái)，某個(gè)生物體的多種菌株和相近種類(lèi)基因組序列的積累。這使解決調(diào)控元件的保守性成為可能?，F(xiàn)有的基因組序列不僅為我們提供了來(lái)了解像啟動(dòng)子區(qū)、轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)和終止信號(hào)通路的順式調(diào)控元件在進(jìn)化上的保守性，而且還使我們能夠利用各種比較基因組分析技術(shù)來(lái)預(yù)測(cè)它們。3．順式調(diào)控元件的演化113.1啟動(dòng)子區(qū)啟動(dòng)子是指在細(xì)菌中轉(zhuǎn)錄起始需要RNA聚合酶識(shí)別和結(jié)合上游轉(zhuǎn)錄單元的特異性的DNA序列。啟動(dòng)子序列的識(shí)別是通過(guò)RNAP和sigma因子(一種小的蛋白質(zhì))結(jié)合實(shí)現(xiàn)的，這種在大腸桿菌中原始的持家sigma因子是通過(guò)rpoD基因編碼的，也稱(chēng)為sigma70。在細(xì)菌中，啟動(dòng)子被定義為位于轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)附近的（6-8bp）的一段DNA片段,它能使一個(gè)基因或一組基因被轉(zhuǎn)錄。3.1啟動(dòng)子區(qū)123.2轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)

轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)的識(shí)別是理解基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)理的重要環(huán)節(jié)，準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)算法將有助于人們識(shí)別不同轉(zhuǎn)錄因子的目標(biāo)基因，進(jìn)而研究轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)在上游調(diào)控區(qū)中的位置對(duì)轉(zhuǎn)錄調(diào)控的影響。轉(zhuǎn)錄因子識(shí)別TGs，它們能控制轉(zhuǎn)錄歸因于啟動(dòng)子區(qū)域存在有結(jié)合位點(diǎn)。典型的一個(gè)轉(zhuǎn)錄因子，與它們的靶基因或轉(zhuǎn)錄單元的啟動(dòng)子區(qū)結(jié)合，能控制基因正向或負(fù)向的表達(dá)。抑制物位點(diǎn)抑制基因轉(zhuǎn)錄已知道發(fā)生在轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)的下游，激活子一般在起始位點(diǎn)上游的DNA相結(jié)合。在大腸桿菌里，有大量的因子充當(dāng)轉(zhuǎn)錄抑制物，因此在轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò)中的大多數(shù)基因是負(fù)調(diào)控。3.2轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)13兩個(gè)普遍的計(jì)算方法可用來(lái)推斷在啟動(dòng)子區(qū)的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)：（1）分析共調(diào)控基因（2）上游區(qū)域的同源基因種系發(fā)育足跡法基于選擇壓保持非編碼區(qū)的調(diào)控元件在遺傳上的相似性。兩種方法的目的在于確立有效的統(tǒng)計(jì)學(xué)模式，這在保持定位基因間區(qū)域的背景下是保守的，因?yàn)閷?duì)基因序列中的共同調(diào)控基因識(shí)別是困難的，大多數(shù)推斷調(diào)控基序的計(jì)算途徑用種系相近的同源基因的上游區(qū)域作為序列種組。兩個(gè)普遍的計(jì)算方法可用來(lái)推斷在啟動(dòng)子區(qū)的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)：14轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)預(yù)測(cè)相關(guān)文獻(xiàn)：轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)和組合調(diào)控模式的研究（清華大學(xué)理學(xué)博士學(xué)位論文）開(kāi)發(fā)出一個(gè)從相關(guān)序列中尋找出現(xiàn)頻率高的轉(zhuǎn)錄因子的預(yù)測(cè)算法。在多個(gè)調(diào)控序列上得到的出現(xiàn)頻率高的片段很可能是對(duì)于這組序列的轉(zhuǎn)錄調(diào)控有重要作用的序列元件。本算法通過(guò)對(duì)比目標(biāo)序列和背景序列中序列元件出現(xiàn)的頻率，識(shí)別出在目標(biāo)序列中存在的出現(xiàn)頻率高的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)。用已知的結(jié)合位點(diǎn)的位置權(quán)重矩陣為基礎(chǔ)，本算法可以方便地將預(yù)測(cè)結(jié)果和數(shù)據(jù)庫(kù)中的轉(zhuǎn)錄因子聯(lián)系起來(lái)。測(cè)試數(shù)據(jù)表明本算法具有較高的可信度，隨著算法可以利用的轉(zhuǎn)錄因子數(shù)據(jù)量的增加，我們的算法將為實(shí)驗(yàn)研究提供更有價(jià)值的信息。在此基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的軟件。轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)預(yù)測(cè)相關(guān)文獻(xiàn)：153.3轉(zhuǎn)錄終止典型的轉(zhuǎn)錄終止包括轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物mRNA和RNA聚合酶在轉(zhuǎn)錄結(jié)束時(shí)從模板鏈上釋放，正確的終止對(duì)于細(xì)菌是必須的，作為在轉(zhuǎn)錄單元之間的區(qū)域一般相當(dāng)小。在細(xì)菌基因組中，終止一般是自然產(chǎn)生的，具有內(nèi)在期限或Rho-依賴性終止，或者用一組反式作用因子和順式作用元件結(jié)合，引起Rho-依賴性終止。3.3轉(zhuǎn)錄終止16順式和反式作用元件和轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò)概念之間的聯(lián)系后基因組時(shí)代的一個(gè)重要的概念是我們可以把細(xì)胞看作是一個(gè)內(nèi)部生物大分子(如蛋白質(zhì)、DNA)與代謝產(chǎn)物之間構(gòu)成一個(gè)相互作用的網(wǎng)絡(luò)。這導(dǎo)致了應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)理論解決生物學(xué)問(wèn)題，特別是在了解基因表達(dá)調(diào)控方面。在轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò)中典型的是反式作用元件如轉(zhuǎn)錄因子和Sigma因子，形成一組節(jié)點(diǎn)和他們的靶基因，它們能控制激活，形成另一套節(jié)點(diǎn)。兩者之間的聯(lián)系具有方向性，從反式作用元件到它們的靶基因，通過(guò)順式調(diào)控元件來(lái)控制，形成一個(gè)復(fù)雜的和具有方向性的相互作用的網(wǎng)絡(luò)。順式和反式作用元件和轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò)概念之間的聯(lián)系17轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)視圖：在基因組水平上的轉(zhuǎn)錄調(diào)控相互作用可以形象化的表示為由TFs（紅色顯示）和TGs（黑色或綠色顯示）組成的網(wǎng)絡(luò)。(a)轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)在轉(zhuǎn)錄水平上沒(méi)有反饋調(diào)控的多層分級(jí)模型結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)視圖：在基因組水平上的轉(zhuǎn)錄調(diào)控相互作用可以形象化18轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)視圖：在基因組水平上的轉(zhuǎn)錄調(diào)控相互作用可以形象化的表示為由TFs（紅色顯示）和TGs（黑色或綠色顯示）組成的網(wǎng)絡(luò)。(b)模塊是轉(zhuǎn)錄相互作用的網(wǎng)絡(luò)分成的子網(wǎng)連接簇，用多種途徑來(lái)識(shí)別模塊，通過(guò)一個(gè)或多個(gè)不同的網(wǎng)絡(luò)基序類(lèi)型依次形成模塊。轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)視圖：在基因組水平上的轉(zhuǎn)錄調(diào)控相互作用可以形象化194.1網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)其中被獲得的那些最重要的和明顯的信息片段的分布具有聯(lián)通性，即有多少連接節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)具有特定的連接數(shù)。至于在轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò)中這些參數(shù)其實(shí)有兩個(gè)方面，作為傳入和傳出的連接必須進(jìn)行單獨(dú)考慮。傳入連接是轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控靶基因的數(shù)量，這將對(duì)基因調(diào)節(jié)產(chǎn)生有意義的組合的影響。

在局部水平上，在轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò)中，某些子網(wǎng)頻繁出現(xiàn)比預(yù)料的多，類(lèi)似于在序列中經(jīng)常重復(fù)的基序。在大多數(shù)轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò)中主要有三個(gè)網(wǎng)絡(luò)基序：（1）前饋環(huán)（EFL）（2）單輸入模式（3）高重疊調(diào)控型4.1網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)20轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)視圖：在基因組水平上的轉(zhuǎn)錄調(diào)控相互作用可以形象化的表示為由TFs（紅色顯示）和TGs（黑色或綠色顯示）組成的網(wǎng)絡(luò)。(c)基序是互連的模式，在轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò)大量存在?，F(xiàn)已知道轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)有前饋環(huán)（EFLs）、多重輸入模塊（MIMs）和SIMs，每種基序都起著不同的作用。轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)視圖：在基因組水平上的轉(zhuǎn)錄調(diào)控相互作用可以形象化214.2網(wǎng)絡(luò)保護(hù)隨著轉(zhuǎn)錄調(diào)控文獻(xiàn)資料的有效利用，基于在模式生物中存在顯著的轉(zhuǎn)錄因子部分的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，使解決在細(xì)菌基因組中調(diào)控系統(tǒng)組成和結(jié)構(gòu)進(jìn)化方面的存在的問(wèn)題成為可能。從特定生物體轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò)進(jìn)化的角度來(lái)看，提出在大腸桿菌和酵母中當(dāng)前已知的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)錄因子的復(fù)制和它的TGs能夠引起比例的顯著提高。然而，從交叉基因組的角度來(lái)看，發(fā)現(xiàn)與TGs相比轉(zhuǎn)錄因子保守交叉基因組不足，因此，有可能進(jìn)化比TGs快，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)整體調(diào)節(jié)器與一般的轉(zhuǎn)錄因子相比沒(méi)有更大的保守性，這表明交叉細(xì)菌的基因調(diào)控機(jī)制的進(jìn)化更快。后者組顯示在網(wǎng)絡(luò)基序里調(diào)控相互作用沒(méi)有顯示共同進(jìn)化中的選擇，具有相似生活方式的生物體可能保留了相等的調(diào)控相互作用和網(wǎng)絡(luò)基序。4.2網(wǎng)絡(luò)保護(hù)224.3網(wǎng)絡(luò)動(dòng)力學(xué)盡管幾項(xiàng)集中在調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的研究停止在一個(gè)靜止的水平，但因該指出的是生物體的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)是具有高動(dòng)態(tài)和在不同條件下網(wǎng)絡(luò)的不同位置具有動(dòng)態(tài)性。事實(shí)上，在酵母細(xì)胞中顯示出通過(guò)累積表達(dá)和調(diào)控相互作用的數(shù)據(jù)表明：調(diào)控子網(wǎng)在不同條件應(yīng)給予不同的關(guān)注。特別表明，在多級(jí)進(jìn)程中，像細(xì)胞周期或孢子形成在調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中有多方面的變化。應(yīng)該嘗試在細(xì)菌系統(tǒng)中展開(kāi)這項(xiàng)研究，另一項(xiàng)研究系統(tǒng)地定義了拓?fù)鋯卧凶鰋rigons，在這種概念下從完全知道的轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中的不同子網(wǎng)能被激活，通過(guò)不同的實(shí)驗(yàn)條件下依賴于通過(guò)感受TFs因子接受環(huán)境信號(hào)。另一項(xiàng)最近的研究用大腸桿菌靜止的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，研究者對(duì)當(dāng)前已知調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中作為傳感內(nèi)源性或外源性信號(hào)的轉(zhuǎn)錄因子的集合進(jìn)行了分類(lèi)