Введение к работе
gjQQO
Актуальность проблемы
Необходимым условием для реконструкции функциональных взаимоотношений в живой клетке является полная аннотация всех регуляторных элементов генома (промоторов, регуляторних белков и РНК). Однако даже их идентификация является сложной биохимической задачей. Так, например, промоторные участки у Escherichia coli, за более чем 30 лет исследований, установлены менее чем для 15% генов. Использование информационных подходов, предсказывающих расположение промоторов, способно значительно облегчить и ускорить этот процесс. Кроме этого, построение корректного алгоритма поиска этих элементов и картирование с его помощью потенциально транскрибируемых участков в геноме позволяет обнаружить такие гены, идентификация которых стандартными методами затруднена. К ним относятся гены нетранслируемых РНК, а также гены, кодирующие короткие полипептиды и гены альтернативного кодирования.
Цельработы
Целью работы было создание компьютерного алгоритма поиска ст70-специфичных (вегетативных) промоторов, картирование в геноме Е. coli промотор-подобных участков и изучение характера распределения транскрипционных сигналов относительно кодирующих областей генома.
Основные задачи исследования:
-
определение границ промоторной области;
-
разработка компьютерного алгоритма посредством:
построения и оптимизации весовых матриц, учитывающих узнаваемые ст-субъединицей РНК-полимеразы консенсусные элементы,
учета элементов, взаимодействующих с а-субъедишщами фермента,
учета последовательностей, вызывающих анизотропные изгибы двойной спирали,
учета легко деформируемых динуклеотидов, обеспечивающих конформационную подвижность ДНК,
учета термодинамически нестабильных А/Т-треков, предположительно принимающих участие в поступательном движении фермента вдоль ДНК,
учета прямых и инвертированных повторов, как потенциальных мишеней для взаимодействия с регуляторными белками;
-
сканирование генома для поиска потенциально транскрибируемых участков;
-
картирование промотор-подобных участков относительно известных структурных генов
Научная новизна
Вырожденность контекста узнаваемых РНК-полимеразой консенсусних последовательностей и ограниченность знаний о роли генетического окружения в формирований транскрипционного комплекса являются причинами низкой точности компьютерного предсказания промоторов. Для повышения этой точности были учтены элементы нуклеотидной последовательности, способные взаимодействовать с а-субъединипами РНК-полимеразы; последовательности
формирующие устойчивые изгибы оси двойной спирали ДНК; динуклеотиды, обеспечивающие адаптивную изомеризацию ДНК; регулярно распределенные А/Т-треки, предположительно принимающие участие в поступательном движении РНК-полимеразы вдоль матрицы и повторяющиеся мотивы нуклеотидных последовательностей, находящиеся в участках взаимодействия с большинством регуляторных белков. Формализация этих параметров позволила создать эффективный компьютерный алгоритм, пригодный для полного сканирования бактериального генома. Все ранее предложенные программы использовались только для поиска наиболее вероятного промотора непосредственно перед структурными генами. В геноме было обнаружено более 90% известных промоторов и более чем в 80% предсказанная точка старта совпала с экспериментально установленным началом синтеза РНК. Это значит, что -80% промотор-подобных мест, найденных в других участках, могут оказаться настоящими промоторами. К ним в первую очередь относятся вероятные промоторы перед неизученными генами. Кроме этого, возможные промоторы были обнаружены в кодирующих последовательностях и в промежутках между генами, не предполагающими присутствия их промоторов. По крайней мере, часть из них могут контролировать экспрессию новых генов. Наибольший интерес представляют гены, кодирующие короткие полипептиды и нетранслируемые РНК, обнаружение которых биохимическими методами является исключительно сложной задачей.
Научно-практическая ценность
Скорость однозначной идентификации промоторов биохимическими методами ограничена и не превышает нескольких десятков в год. С помощью разработанного алгоритма было обнаружено 1981 потенциальных промоторов перед неизученными генами. Это облегчает их биохимическую идентификацию и уже сейчас создает основу для моделирования экспрессии некоторых генных ансамблей. Так как алгоритм учитывает несколько плохо исследованных, но функционально-значимых элементов, он может быть использован для оптимизации генетических модификаций, направленных на детальное их изучение. Наибольший научно-практический интерес представляют результаты глобального картирования транскрибируемых участков в геноме, указывающие на возможность существования новых генов и создающие основу для сравнительного эволюционного анализа.
Апрпфяпия лиссуптаїши
Основные результаты диссертационной работы были представлены на конференциях: «Научные исследования в наукоградах России» (2001, Пущино); «Artificial Intelligence and Heuristic Methods for Bioinformatics», (. San Miniato, Italy 2001) и на «Биология-наука XXI века) (2002, Пущино).
Публикации
По теме диссертации подготовлено и опубликовано 6 печатных работ.
Структура и объем диссертации
