邢立剛-微生物基因組中基因調(diào)控網(wǎng)絡的結(jié)構與演化課件

微生物基因組中基因調(diào)控網(wǎng)絡的結(jié)構與演化邢立剛

2008年6月11日

微生物基因組中基因調(diào)控網(wǎng)絡的結(jié)構與演化邢立剛2008年61關鍵詞：基因調(diào)控網(wǎng)絡轉(zhuǎn)錄蛋白質(zhì)-DNA相互作用原核生物進化摘要：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的角度去理解調(diào)控系統(tǒng)的結(jié)構和功能成為可能。最近的研究主要集中在調(diào)控網(wǎng)絡及其組件的拓撲性質(zhì)與進化方面。我們對于基因調(diào)控網(wǎng)絡的理解為對生物體中內(nèi)在的綜合調(diào)節(jié)系統(tǒng)的研究奠定了基礎。有助于我們更加詳細的理解生物體的多樣性。關鍵詞：摘要：2介紹在后基因組時代最大的挑戰(zhàn)之一是闡明在生物體中所有可能的刺激及其應答的完整基因表達程序。雖然完整序列基因組數(shù)量增長迅速，但我們關于轉(zhuǎn)錄調(diào)控的知識只限于少數(shù)模式生物。生物體提供大量的DNA片段來編碼順式調(diào)控元件，另外還提供一個重要的蛋白質(zhì)編碼基因片段編碼TFs，這兩個方面在轉(zhuǎn)錄水平上控制和協(xié)調(diào)基因表達發(fā)揮著重要的作用。闡明轉(zhuǎn)錄程序的原理和結(jié)構，對于了解環(huán)境干擾所引起的細胞反應和一些微生物引起疾病的分子基礎是必需的。介紹3現(xiàn)在一個普遍接受的概念是轉(zhuǎn)錄調(diào)控是由TFs和TGs組成的一個網(wǎng)絡。然而，在一個較低抽象水平上，轉(zhuǎn)錄子包括許多順式調(diào)控元件（如啟動子、TF結(jié)合位點和轉(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胞中每個基因的轉(zhuǎn)錄狀態(tài)（見Fig.1）。雖然現(xiàn)在的研究越來越多的表明：在真核生物和原核生物中通過非編碼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)控的計算機分析的最新進展。首先討論了所取得的反式和順式元件識別的進展水平，最后從網(wǎng)絡的角度綜合形成了對微生物轉(zhuǎn)錄調(diào)控的理解?，F(xiàn)在一個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)絡的結(jié)構與演化課件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轉(zhuǎn)錄作用網(wǎng)絡的銜接。盡管最近幾年我們對于反式作用因子的數(shù)量及組成成分的了解大大提高，但對于這些蛋白所起作用的認識還遠遠不足。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蛋白質(zhì)。sigma因子和ＲＮＡ聚合酶核心酶結(jié)合是轉(zhuǎn)錄開始的基礎，是轉(zhuǎn)錄過程中的一個重要步驟。sigma因子在啟動子和ＲＮＡ聚合酶特異識別中起到了一個橋梁的作用，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，在下次反應時再被利用。對于不同的RNA序列或者是不同的基因，同一個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)合的親和力大小會影響基因轉(zhuǎn)錄的起始頻率。換句話說就是會影響特定基因表達量的大小，從而對生命活動進行調(diào)節(jié)。在細菌基因組中sigma因子的編碼具有高度可變性。sigma因子可以被分成兩類結(jié)構和種類不同的家族：sigma70和sigma54兩個家族。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調(diào)控主要是通過DNA結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子來實現(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)合來控制轉(zhuǎn)錄起始。在公開的完整序列基因組中，在天藍色鏈霉菌中觀察到大量的轉(zhuǎn)錄因子。細菌基因組中的轉(zhuǎn)錄因子部分以整個基因組總數(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依照它們在特定啟動子上的作用方式轉(zhuǎn)錄因子可被分為激活物、抑制物或二元調(diào)節(jié)器。通過啟動子刺激RNA聚合酶激活刺激靶基因的表達。眾所周知激活作用是通過結(jié)合轉(zhuǎn)錄起始位點上游的轉(zhuǎn)錄因子而發(fā)生的，經(jīng)常在上游的啟動子元件的-35區(qū)。對于轉(zhuǎn)錄負控制，轉(zhuǎn)錄因子通過結(jié)合ＤＮＡ來阻止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)錄起始位點的下游時就會發(fā)生阻遏，導致啟動子元件在-35區(qū)和-10區(qū)成環(huán)，從而通過位阻來阻斷RNA聚合酶。計算機分析表明抑制物在大腸桿菌和桿狀菌中占優(yōu)勢地位，有可能共同進化與它們的靶基因密切相關的基因組。依照它們在特定啟動子上的作用方式轉(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的基因，通過直接和間接影響不同的細胞途徑和按照用不同的sigma因子作用目標啟動子來控制復合調(diào)控級聯(lián)。根據(jù)這些，提出了大腸桿菌中的七個整體調(diào)節(jié)器。在整個轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡中大約控制50%多的基因。最近許多研究用轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合性作為一種簡化的量度來估定轉(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，某個生物體的多種菌株和相近種類基因組序列的積累。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了解像啟動子區(qū)、轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點和終止信號通路的順式調(diào)控元件在進化上的保守性，而且還使我們能夠利用各種比較基因組分析技術來預測它們。3．順式調(diào)控元件的演化113.1啟動子區(qū)啟動子是指在細菌中轉(zhuǎn)錄起始需要RNA聚合酶識別和結(jié)合上游轉(zhuǎn)錄單元的特異性的DNA序列。啟動子序列的識別是通過RNAP和sigma因子(一種小的蛋白質(zhì))結(jié)合實現(xiàn)的，這種在大腸桿菌中原始的持家sigma因子是通過rpoD基因編碼的，也稱為sigma70。在細菌中，啟動子被定義為位于轉(zhuǎn)錄起始位點附近的（6-8bp）的一段DNA片段,它能使一個基因或一組基因被轉(zhuǎn)錄。3.1啟動子區(qū)123.2轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點

轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點的識別是理解基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控機理的重要環(huán)節(jié)，準確的預測算法將有助于人們識別不同轉(zhuǎn)錄因子的目標基因，進而研究轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點在上游調(diào)控區(qū)中的位置對轉(zhuǎn)錄調(diào)控的影響。轉(zhuǎn)錄因子識別TGs，它們能控制轉(zhuǎn)錄歸因于啟動子區(qū)域存在有結(jié)合位點。典型的一個轉(zhuǎn)錄因子，與它們的靶基因或轉(zhuǎn)錄單元的啟動子區(qū)結(jié)合，能控制基因正向或負向的表達。抑制物位點抑制基因轉(zhuǎn)錄已知道發(fā)生在轉(zhuǎn)錄起始位點的下游，激活子一般在起始位點上游的DNA相結(jié)合。在大腸桿菌里，有大量的因子充當轉(zhuǎn)錄抑制物，因此在轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡中的大多數(shù)基因是負調(diào)控。3.2轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點13兩個普遍的計算方法可用來推斷在啟動子區(qū)的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點：（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)計學模式，這在保持定位基因間區(qū)域的背景下是保守的，因為對基因序列中的共同調(diào)控基因識別是困難的，大多數(shù)推斷調(diào)控基序的計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。兩個普遍的計算方法可用來推斷在啟動子區(qū)的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點：14轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點預測相關文獻：轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點和組合調(diào)控模式的研究（清華大學理學博士學位論文）開發(fā)出一個從相關序列中尋找出現(xiàn)頻率高的轉(zhuǎn)錄因子的預測算法。在多個調(diào)控序列上得到的出現(xiàn)頻率高的片段很可能是對于這組序列的轉(zhuǎn)錄調(diào)控有重要作用的序列元件。本算法通過對比目標序列和背景序列中序列元件出現(xiàn)的頻率，識別出在目標序列中存在的出現(xiàn)頻率高的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點。用已知的結(jié)合位點的位置權重矩陣為基礎，本算法可以方便地將預測結(jié)果和數(shù)據(jù)庫中的轉(zhuǎn)錄因子聯(lián)系起來。測試數(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，我們的算法將為實驗研究提供更有價值的信息。在此基礎上，開發(fā)出相應的軟件。轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點預測相關文獻：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)束時從模板鏈上釋放，正確的終止對于細菌是必須的，作為在轉(zhuǎn)錄單元之間的區(qū)域一般相當小。在細菌基因組中，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)絡概念之間的聯(lián)系后基因組時代的一個重要的概念是我們可以把細胞看作是一個內(nèi)部生物大分子(如蛋白質(zhì)、DNA)與代謝產(chǎn)物之間構成一個相互作用的網(wǎng)絡。這導致了應用網(wǎng)絡理論解決生物學問題，特別是在了解基因表達調(diào)控方面。在轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡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)點和他們的靶基因，它們能控制激活，形成另一套節(jié)點。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，通過順式調(diào)控元件來控制，形成一個復雜的和具有方向性的相互作用的網(wǎng)絡。順式和反式作用元件和轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡概念之間的聯(lián)系17轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡視圖：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。(a)轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡是一個在轉(zhuǎn)錄水平上沒有反饋調(diào)控的多層分級模型結(jié)構。轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡視圖：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。(b)模塊是轉(zhuǎn)錄相互作用的網(wǎng)絡分成的子網(wǎng)連接簇，用多種途徑來識別模塊，通過一個或多個不同的網(wǎng)絡基序類型依次形成模塊。轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡視圖：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)絡結(jié)構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，每一個節(jié)點具有特定的連接數(shù)。至于在轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡中這些參數(shù)其實有兩個方面，作為傳入和傳出的連接必須進行單獨考慮。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)絡中，某些子網(wǎng)頻繁出現(xiàn)比預料的多，類似于在序列中經(jīng)常重復的基序。在大多數(shù)轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡中主要有三個網(wǎng)絡基序：（1）前饋環(huán)（EFL）（2）單輸入模式（3）高重疊調(diào)控型4.1網(wǎng)絡結(jié)構20轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡視圖：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。(c)基序是互連的模式，在轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡大量存在。現(xiàn)已知道轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡有前饋環(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)絡保護隨著轉(zhuǎn)錄調(diào)控文獻資料的有效利用，基于在模式生物中存在顯著的轉(zhuǎn)錄因子部分的實驗證據(jù)，使解決在細菌基因組中調(diào)控系統(tǒng)組成和結(jié)構進化方面的存在的問題成為可能。從特定生物體轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡進化的角度來看，提出在大腸桿菌和酵母中當前已知的調(diào)控網(wǎng)絡中轉(zhuǎn)錄因子的復制和它的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，有可能進化比TGs快，同時也發(fā)現(xiàn)整體調(diào)節(jié)器與一般的轉(zhuǎn)錄因子相比沒有更大的保守性，這表明交叉細菌的基因調(diào)控機制的進化更快。后者組顯示在網(wǎng)絡基序里調(diào)控相互作用沒有顯示共同進化中的選擇，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)絡基序。4.2網(wǎng)絡保護224.3網(wǎng)絡動力學盡管幾項集中在調(diào)控網(wǎng)絡的研究停止在一個靜止的水平，但因該指出的是生物體的調(diào)控網(wǎng)絡是具有高動態(tài)和在不同條件下網(wǎng)絡的不同位置具有動態(tài)性。事實上，在酵母細胞中顯示出通過累積表達和調(diào)控相互作用的數(shù)據(jù)表明：調(diào)控子網(wǎng)在不同條件應給予不同的關注。特別表明，在多級進程中，像細胞周期或孢子形成在調(diào)控網(wǎng)絡中有多方面的變化。應該嘗試在細菌系統(tǒng)中展開這項研究，另一項研究系統(tǒng)地定義了拓撲單元叫做origons，在這種概念下從完全知道的轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡中的不同子網(wǎng)能被激活，通過不同的實驗條件下依賴于通過感受TFs因子接受環(huán)境信號。另一項最近的研究用大腸桿菌靜止的調(diào)控網(wǎng)絡，研究者對當前已知調(diào)控網(wǎng)絡中作為傳感內(nèi)源性或外源性信號的轉(zhuǎn)錄因子的集合進行了分類