Введение к работе
Актуальность проблемы. Одним из центральных направлений современной молекулярной биологии и генетики является компьютерный анализ нуклеотидных последовательностей. К числу наиболее важных проблем в этой области относится распознавание эукариотических генов. В свою очередь, решение этой проблемы требует создания эффективных методов поиска сайтов сплайсинга, интронов, экзонсв, а также распознавания транскрипционных регуляторных районов, то есть участков геномной ДНК, вовлеченных в контроль процесса транскрипции.
Базовым принципом организации транскрипционных регуляторных районов генов эукариот является их блочно-модульное строение и наличие четко выраженных уровней иерархии (Dynan, 1989; Kel, at а!., 1995). Низший уровень организации регуляторного района соответствует цис-элементу, т.е. сайту связывания отдельного транскрипционного фактора. Функциональными единицами промежуточного уровня являются композиционные элементы. Они образованы парами близко расположенных цис-элементов, которые в процессе формирования транскрипционного комплекса функционируют как единое целое за счет интенсивных белок-белковых взаимодействий между соответствующими белковыми факторами. Высший уровень организации транскрипционных регуляторных районов соответствует промоторам и энхансерам.
Компьютерный анализ транскрипционных регуляторных районов является исключительно актуальным в связи с тем, что эффективные компьютерные методы распознавания цис-элементов, композиционных элементов и промоторов в настоящее время отсутствуют. При этом наибольший интерес представляет исследование и распознавание промоторов генов, транскрибируемых РНК-полимеразой II, так как именно этот класс генов наиболее представлен в эукариотических геномах. Особую остроту проблема распознавания промоторов приобрела в последние годы, в первую очередь - в связи с осуществлением проектов полного секвениро-вания геномов человека, мыши, дрозофилы и ряда других эукариотических организмов. Не менее важное значение имеет компьютерный анализ транскрипционных регуляторных районов генов эукариот, направленный на изучение молекулярных механизмов их функционирования и понимание закономерностей их структурно-
функциональной организации.
Цели и задачи исследования. Целью настоящей работы являлся комплексный компьютерный анализ транскрипционных ре-гуляторных районов генов эукариот, направленный на изучение особенностей их структурно-функциональной организации и создание методов их распознавания в нуклеотидных последовательностях. При этом основное внимание было уделено следующим задачам.
-
Анализ точности распознавания цис-элементов в промоторах эукариот на основе консенсусов.
-
Создание метода распознавания цис-элементов в промоторах эукариот на основе представления цис-элементов в виде конкретных реализаций.
3) Создание метода поиска потенциальных композиционных элементов в нуклеотидных последовательностях промоторов эукариот
-
Исследование концентрации цис-элементов в промоторах и других районах геномов, а также выявление особенностей их распределения вдоль промоторных районов.
-
Разработка метода распознавания промоторов в нуклеотидных последовательностях геномов эукариот. Создание метода функциональной классификации, позволяющего отнести распознанный промотор к одному из известных функциональных классов.
6) Создание метода распознавания сайтов полиаденилирования в нуклеотидных последовательностях эукариот.
7) Реализация разработанных процедур распознавания и классификации в виде отдельного пакета компьютерных программ FUN-SITE.
Научная новизна и практическая ценность. В работе создан комплекс компьютерных методов, позволяющих исследовать широкий круг проблем структурно-функциональной организации транскрипционных регуляторных районов генов эукариот. Впервые разработана модель представления цис-элементов в виде наборов конкретных реализаций, обеспечивающая более высокую точность распознавания сайтов связывания по сравнению с консенсусами. Предложен новый подход, позволяющий оценивать точность процедур распознавания цис-элементов на основе штрафных функций.
Разработан * метод поиска потенциальных композиционных элементов в промоторах эукариот, основанный на анализе пар сближенных цис-элементов с использованием модификации критерия хи-квадрат. Проведенный анализ позволил выявить более 70 новых композиционных элементов.
Впервые показано, что неравномерность распределения вдоль промоторов является характерной особенностью многих сайтов связывания транскрипционных факторов.
Создан метод распознавания промоторов эукариот, основанный на одновременном учете концентрации потенциальных цис-элементов и их распределений в пределах промоторов. Он позволяет также осуществлять классификацию распознаваемых промоторов, то есть относить их к известным функциональным классам. Введено понятие транскрипционного регуляторного потенциала, который по аналогии с широко используемым кодирующим потенциалом позволяет выделять протяженные транскрипционные регу-ляторные районы внутри исследуемых нуклеотидных последовательностей.
Впервые создан метод распознавания сайтов полиаденили-рования в нуклеотидных последовательностях эукариот. Разработанный в диссертации пакет FUN-SITE для анализа транскрипционных регуляторных районов не имеет аналогов в существующем программном обеспечении.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на 4-х международных конференциях: "Распознавание и предсказание структурной организации генов", 1995г., Филадельфия, США; "3-я конференция по интеллектуальным системам в молекулярной биологии", Калифорния, США, 1995г.; "Моделирование и имитация генной и клеточной регуляции", Дагстухл, Германия, 1995; SAMS-конференция, Голландия, 1995г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 статей в рецензируемых изданиях (в том числе - 5 за рубежом). Материалы по распознаванию сайтов полиаденилирования включены в учебное пособие для студентов Кембриджского университета (Англия, под редакцией М. Бишопа, 1994).
Структура работы. Работа состоит из введения, пяти глав,
