Введение к работе
Актуальность проблемы.
Для бактерий и бактериофагов основной контроль в регуляции экспрессии генов осуществляется на стадии транскрипции. Наиболее значимые механизмы регуляции транскрипции действуют на стадии узнавания РНК-полимеразой промоторов и образования открытых промоторных комплексов. Следует отметить, что регуляция эффективности комплексообра-зования РНК-полимеразы с промоторной ДНК может осуществляться как с участием белков-регуляторов, специфических к индивидуальным промоторам, так и с помощью только самой РНК-полимеразы, обладающей дифференцированным сродством к разным, различающимся по структуре и свойствам промоторам. Наиболее репрезентативным примером промоторов, активность которых контролируется in vivo только РНК-полимеразой, являются промоторы бактериофага Т7. Такие промоторы представляют особый интерес для изучения проблемы промоторпо-полимеразного узнавания, поскольку являются наиболее корректными объектами для исследования «в чистом виде» регуляторних возможностей самой РНК-полимеразы и промоторной ДНК.
Геном бактериофага Т7 полностью секвенирован п картирован. Структура и локализация промоторов на его генетической карте известны. Промоторы Т7 фага узнаются двумя разными РНК-полимеразами. Основная форма РНК-полимеразы Е. coli (Ее70) контролирует активность промоторов ранних генов, которые составляют ~20% фагового генома. 17 фагоспецифичная РНК-полимераза ответственна за взаимодействие и регуляцию активности промоторов поздних генов. Все промоторы биохимически достаточно подробно охарактеризованы в сравнительных экспериментах. Сравнительный анализ нуклеотидной последовательности и свойств этих промоторов свидетельствует о том, что их функциональное поведение не соответствует правилу "консенсусного промотора", что, в свою очередь, указывает на перспективность поиска в них новых сигнальных элементов, отличных от канонических нуклеогидспецифичных промоторных детерминаїгт.
Согласно современным представлениям не только нуклеотидпая последовательность, но и физические свойства промоторной ДНК, задаваемые этой последовательностью, вносят вклад в обеспечение специфичности и эффективности взаимодействия РНК-полимеразы с разными промоторами. К таким свойствам относятся наличие легкоплавких участков, изгибность двойной спирали и наличие изломов, шпилек и петель, а также динамические характеристики как самих промоторных участков, так и макромолекулы ДНК в целом. В последнее время стало также известно, что регуляция активности промоторной ДНК может осуществляться через электростатические взаимодействия с РНК-полимеразой. Был предложен новый подход в поиске сигнальных промоторных элементов, который основан на анализе электростатических характеристик промоторной ДНК (Сорокин А. А., 2001; Джелядин Т. Р., 2001).
Таким образом, анализ электростатических свойств ДНК генома и его функционально значимых промоторных участков является новым перспективным направлением в исследовании актуальной фундаментальной проблемы кодирования промоторно-полимеразного узнавания, что необходимо для понимания механизмов регуляции активности генов и разработки рекомендаций для конструирования геномов с заданными свойствами.
Цель работы.
Целью работы является изучение общих принципов формирования промоторной функции в геноме Т7 бактериофага на основе электростатических характеристик ДНК и выявления особенностей локального распределения электростатического потенциала вокруг промоторной ДНК индивидуальных фаговых промоторов, связанных с их функциональным поведением.
Основными задачами исследования были следующие:
Вычисление распределения электростатического потенциала вдоль полной ігуклеотидтюй последовательности ДНК бактериофага Т7.
Сопоставление электростатической и генетической карт фагового генома для идентификации электростатических профилей фрагментов ДНК, содержащих индивидуальные промоторы.
Классификационный анализ промоторов в зависимости от их функциональной специфичности и характера и времени экспрессии генов, которые они контролируют. Группирование электростатических профилей прсмоторньк фрагментов в соответствии с классификационным анализом промоторов.
Сравнительный анализ распределения электростатического потенциала вокруг промоторных и непромоторных участков в геномах Е. coli и Т7 бактериофага.
Сравнительный анализ электростатических и функциональных свойств промоторов Т7 ДНК, относящихся к разным функциональным классам, и внутри каждого класса. Поиск специфических электростатических элементов, характеризующих разные промоторы и их группы, и анализ их функциональной значимости.
Научная новизна работы.
Впервые рассчитан электростатический профиль полной нуклеотидной последовательности генома бактериофага Т7. Электростатическая карта Т7 генома сопоставлена с его генетической картой, и результаты организованы в базу данных DEPPDB (DNA Electrostatic Potential Properties Database. URL: ).
Впервые определены электростатические профили всех промоторов, идентифицированных в фаговом геноме, взаимодействующих как с хозяйской (Е. coli Ее ), так и с Т7 фагоспе-цифичной РНК-полимеразой. Проведен сравнительный анализ электростатических свойств промоторои, узнаваемых разными РНК-полимеразами, а также непромоторных областей геномов Е. coli иТ7 фага. На большом массиве электростатических профилей промоторных и непромоторных фрагментов показано, что характер распределения электростатического потенциала существенным образом отличается для промоторной и непромоторной ДНК в геномах и Е. coli, иТ7 фага. Найдено, что ДНК обоих геномов не являются равномерно заряженными молекулами - в них имеются участки с гетерогенным распределением потенциала, которые приходятся на промоторные области.
Это свойство является общим для промоторов, специфичных как для Е. coli - Ее , так и Т7 фагоспецифичной РНК-полимераз. В то же время для непромоторных областей ДНК Т7 фага и Е. coli характерно более гомогенное распределение потенциала. Сделан принципиально важный вывод о том, что в процессе эволюции при формировании промоторной функции в геноме важную роль играет не только нуклеотидная последовательность промоторных участков, но и их электростатические свойства. Интересно отмстить, что при общем принципе формирования потенциала вокруг промоторной ДНК для промоторов, взаимодействующих с разными РНК-полимеразами, их электростатические свойства различаются в конкретных деталях. Это подчеркивает значение электростатического потенциала промоторной ДНК для дифференцированной идентификации разных промоторов в геноме.
Проведен сравнительный анализ всех промоторов Т7 ДНК, взаимодействующих с Ее РНК-полимеразой Е. coli. В дальней upstream области промоторной ДНК главных промоторов обнаружены специфические электростатические элементы, которые ранее были идентифицированы и охарактеризованы в других с70-специфичных промоторах Е. coli и Т4 бактериофага, что предполагает их функциональную значимость, как новых сигнальных промоторных элементов. Различия электростатических элементов, обнаруженных в промоторной ДНК разных с -специфичных промоторов Т7 фага, предлагает возможное объяснение различий в их активности и поведении.
Промоторы, взаимодействующие с Т7 РНК-полимеразой, могут быть объединены в два класса по их функциональным свойствам и времени экспрессии. Показано, что промоторы, от-
носящиеся к одному и тому же классу, характеризуются сходными, хотя и пеидентичными профилями распределения электростатического потенциала. В то же время основные характеристики электростатических профилей отличаются у промоторов, относящихся к различным классам, что указывает на различие в характере узнавания РНК-полимеразой этих промоторов и может быть одной из причин различий в их функциональном поведении во время инфекции Е. coll бактериофагом Т7.
В целом, в этой работе впервые вычислена и всесторонне гіроацализирована электростатическая карта полного генома бактериофага Т7 и изучена роль электростатического потенциала ДНК в формировании промоториой функции в этом геноме, что позволило предложить новые механизмы, ответственные за специфичность взаимодействия РНК-полимеразы с индивидуальными Т7 промоторами и объяснить различия в их активности и поведении.
Апробация работы.
Материалы диссертации докладывались на 4th International conference of bioinformat-ics of genome regulation and structure (BGRS-2004) (Novosibirsk, 2004), III Съезде биофизиков России. (Воронеж, 2004), International Moscow conference on Computational Molecular Biology (Moscow, 2005), XIII Симпозиуме по межмолекулярпому взаимодействию и кои-формациям молекул (Санкт-Петербург, 2006), 5th International conference on bioinformatics of genome regulation and structure (BGRS-2006) (Novosibirsk, 2006), International Moscow Conference on Computational Molecular Biology (MCCMB'07), (Moscow, 2007), International Workshop on Integrative Bioinformatics, 4th Annual meeting (University of Ghent, 2007), 11 Международной Пущинской школе-конференции молодых ученых «Биология наука XXI века» (Пушино, 2007), International Conference on Computational Phylogenetics and Genosys-tematics (Moscow, 2007), European Conference on Synthetic Biology (ECSB) (Sant Feliu de Guixols, 2007), XIV Симпозиуме по межмолекулярному взаимодействию и конформациям молекул (Челябинск, 2008), 16-й Международной конференции «Математика. Компьютер. Образование» (Пущино, 2009).
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 9 статей в реферируемых журналах, I раздел в монографии, 2 статьи в реферируемых сборниках и 16 в сборниках тезисов.
Структура и объем диссертации.
