1. Биоинформатика

2. Распознавание генов

3. Таблица генетического кода

4. Поиск генов если известен белок: просто

5. … или родственный белок: тоже просто

6. Генетический код: стоп-кодоны
TTT F
TCT S
TAT Y
TGT C
TTC
TCC
TAC
TGC
TTA L
TCA
TAA
stop
TGA
TTG
TCG
TAG
TGG W
CTT
CCT P
CAT H
CGT R
CTC
CCC
CAC
CGC
CTA
CCA
CAA Q
CGA
CTG
CCG
CAG
CGG
ATT I
ACT T
AAT N
AGT
ATC
ACC
AAC
AGC
ATA
ACA
AAA K
AGA
ATG M/
start
ACG
AAG
AGG
GTT V
GCT A
GАT D
GGT G
GTC
GCC
GАC
GGC
GTA
GCA
GАA E
GGA
GTG
GCG
GАG
GGG

7. Открытые рамки считывания
Ген должен располагаться внутри области от стоп-кодона до следующего стоп-кодона (в той же фазе)

8. Сильное перепред-сказание (Aeropyrum pernix)

9. Генетический код: синонимы
TTT F
TCT S
TAT Y
TGT C
TTC
TCC
TAC
TGC
TTA L
TCA
TAA
stop
TGA
TTG
TCG
TAG
TGG W
CTT
CCT P
CAT H
CGT R
CTC
CCC
CAC
CGC
CTA
CCA
CAA Q
CGA
CTG
CCG
CAG
CGG
ATT I
ACT T
AAT N
AGT
ATC
ACC
AAC
AGC
ATA
ACA
AAA K
AGA
ATG M/
start
ACG
AAG
AGG
GTT V
GCT A
GАT D
GGT G
GTC
GCC
GАC
GGC
GTA
GCA
GАA E
GGA
GTG
GCG
GАG
GGG

10. Codon usage (статистика употребления кодонов)
частоты кодонов отличаются от частот триплетов в некодирующих областях
различия в частотах аминокислот в белках
различия в частотах синонимичных кодонов
частоты синонимичных кодонов
специфичны для генома
коррелируют с концентрациями тРНК

11. GenMark, окно 96 нт

12. Генетический код: старт-кодоны
TTT F
TCT S
TAT Y
TGT C
TTC
TCC
TAC
TGC
TTA L
TCA
TAA
stop
TGA
TTG
TCG
TAG
TGG W
CTT
CCT P
CAT H
CGT R
CTC
CCC
CAC
CGC
CTA
CCA
CAA Q
CGA
CTG
CCG
CAG
CGG
ATT I
ACT T
AAT N
AGT
ATC
ACC
AAC
AGC
ATA
ACA
AAA K
AGA
ATG M/
start
ACG
AAG
AGG
GTT V
GCT A
GАT D
GGT G
GTC
GCC
GАC
GGC
GTA
GCA
GАA E
GGA
GTG
GCG
GАG
GGG

13. Начала генов Bacillus subtilis
dnaN ACATTATCCGTTAGGAGGATAAAAATG
gyrA GTGATACTTCAGGGAGGTTTTTTAATG
serS TCAATAAAAAAAGGAGTGTTTCGCATG
bofA CAAGCGAAGGAGATGAGAAGATTCATG
csfB GCTAACTGTACGGAGGTGGAGAAGATG
xpaC ATAGACACAGGAGTCGATTATCTCATG
metS ACATTCTGATTAGGAGGTTTCAAGATG
gcaD AAAAGGGATATTGGAGGCCAATAAATG
spoVC TATGTGACTAAGGGAGGATTCGCCATG
ftsH GCTTACTGTGGGAGGAGGTAAGGAATG
pabB AAAGAAAATAGAGGAATGATACAAATG
rplJ CAAGAATCTACAGGAGGTGTAACCATG
tufA AAAGCTCTTAAGGAGGATTTTAGAATG
rpsJ TGTAGGCGAAAAGGAGGGAAAATAATG
rpoA CGTTTTGAAGGAGGGTTTTAAGTAATG
rplM AGATCATTTAGGAGGGGAAATTCAATG

14. Участок связывания рибосом
dnaN ACATTATCCGTTAGGAGGATAAAAATG
gyrA GTGATACTTCAGGGAGGTTTTTTAATG
serS TCAATAAAAAAAGGAGTGTTTCGCATG
bofA CAAGCGAAGGAGATGAGAAGATTCATG
csfB GCTAACTGTACGGAGGTGGAGAAGATG
xpaC ATAGACACAGGAGTCGATTATCTCATG
metS ACATTCTGATTAGGAGGTTTCAAGATG
gcaD AAAAGGGATATTGGAGGCCAATAAATG
spoVC TATGTGACTAAGGGAGGATTCGCCATG
ftsH GCTTACTGTGGGAGGAGGTAAGGAATG
pabB AAAGAAAATAGAGGAATGATACAAATG
rplJ CAAGAATCTACAGGAGGTGTAACCATG
tufA AAAGCTCTTAAGGAGGATTTTAGAATG
rpsJ TGTAGGCGAAAAGGAGGGAAAATAATG
rpoA CGTTTTGAAGGAGGGTTTTAAGTAATG
rplM AGATCATTTAGGAGGGGAAATTCAATG

15. Сравнительный анализ (один и тот же ген в нескольких геномах)
Сравнительный анализ (один и тот же ген в нескольких геномах)
Гены консервативнее, чем межгенные области (точнее, особенности эволюции другие)
Sty TCGCTCG--CAGCGGAAAGAGGATTACGCCCTTCGCCTGGAGGCTGTGCAGGGGC---GCCGGAGATGGGATGCATAATT
Stm TCGCTCG--CAGCGGAAAGAGGATTACGCCCTTCGCCTGGAGGCTGTGCAGGGGC---GCCGGAGATGGGATGCATAATT
Sen TCGCTCG--CAGCGGAAAGAGGATTACGCCCTTCGCCTGGAGGCTGTGCAGGGGC---GCCGGAGATGGGATGCATAATT
Eco TTGCCCG--TGCCAGACGGCAGATTATCTCCCTGACCTGGTGGTTGCCCAGGAGGAGGGCCGGAAATAGGTTGTATCATT
Kpn ----CGG--TGGCGCAGTGCCTGATGGG-CCTCGCCCTGGAGGACGGTCTGGCAT---ATCAGCAAGGGGGTGCGTCATG
Ype TTGTTAGAACAGGGGAAAACGGTAAACAGTGTGGCATTAGATGTCGGTTATAGCT-----CCGCCTCTGCTTTTATCGCC
* * * * * * * * * * *
Sty AATTATCCTTTAAC CATAAATCTGAGCAATA-TATGCTTGGCGGCCAGATTATGGC--ACACTTGTCCGG
Stm AATTATCCTTTAAC CATAAATCTGAGCAATA-TATGCCTGGCGGCCAGATTATGGC--ACACTTGTCCGG
Sen AATTATCCTTTAAC CATAAATCTGAGCAATA-TATGCCTGGCGGCCAGATTATGGC--ACACTTGTCCGG
Eco ACGTATCCTTATAC CTGAAATCTTCGCAAG--TATGCCTGGCCGCGAGATTATGGC--ACACTTGTCCGG
Kpn ATTCATCCTTTCGATATCGCGGTGCTGGAACCAGGTGATGAGTATGCCTGGCGGCCAGATTATGGC--ACACTTCCCCAG
Ype ATGTTTCAGCAAATAT CGGGTACCA-CGCCTGAGCGTTTCCGGCGGGGCAATAGTGGCTTATACTAAGCCCC
* ** * * * * *** * ** **** * *** **
Sty TTAACTCTCGTT-CTCAAACAG------GTACGACAGTC--GTGAAAATTCTCGTTGATGAAAATATGCCTTACGCCCGC
Stm TTAACTCTCGTT-CTCAAACAG------GTACGACAGTC--GTGAAAATTCTCGTTGATGAAAATATGCCTTACGCCCGC
Sen TTAACTCTCGTT-CTCAAACAG------GTACGACAGTC--GTGAAAATTCTCGTTGATGAAAATATGCCTTACGCCCGC
Eco TTAACTCTCGT--CTCATACAG------GTAACACAAAC--GTGAAAATCCTTGTTGATGAAAATATGCCTTATGCCCGC
Kpn TTAACTCTCGTT-CTCAGACAG------GTACTGAACT---GTGAAAATCCTCGTTGATGAAAATATGCCCTATGCCCGT
Ype CTGTTTTTCATCTGTATGGCAGTTCGCTGTCGGAGAGTAAAGTGAAAATTCTGGTTGATGAAAATATGCCGTACGCTGAG
* * ** * * *** ** * ******** ** ***************** ** **

16. rbsD в E. coli
Eco AGGATTAAACTGTGGGTCAGCGAAACGTTTCGCTGATGGAGAAAAAAATGAAAAAAGGC
Eco ACCGTTCTTAATTCTGATATTTCATCGGTGATCTCCCGTCTGGGACATACCGATACGCTG

17. rbsD в энтеробактериях
Sty AGGGTTACACTGCGGC-CAGCGAAACGTTTCGCTAGTGGAGCAGAAAAATGAAGAAAGGC
Sen AGGGTTACACTGCGGC-CAGCGAAACGTTTCGCTAGTGGAGCAGAAAAATGAAGAAAGGC
Stm GGGGTTACACTGCGGC-CAGCGAAACGTTTCGCTAGTGGAGCAGAAAAATGAAGAAAGGC
Eco AGGATTAAACTGTGGGTCAGCGAAACGTTTCGCTGATGGAGAA-AAAAATGAAAAAAGGC
Ype TTTTCTAAACTCCTTGTTAGCGAAACGTTTCGCTCTTGGAGTA-GATCATGAAAAAAGGT
** *** **************** ***** * * ***** *****
Sty ACCGTACTCAACTCTGAAATCTCGTCGGTCATTTCCCGTCTGGGGCATACTGATACTCTG
Sen ACCGTACTCAACTCTGAAATCTCGTCGGTCATTTCCCGTCTGGGGCATACTGATACTCTG
Stm ACCGTACTCAACTCTGAAATCTCGTCGGTCATTTCCCGTCTGGGGCATACTGATACTCTG
Eco ACCGTTCTTAATTCTGATATTTCATCGGTGATCTCCCGTCTGGGACATACCGATACGCTG
Ype GTATTACTGAACGCTGATATTTCCGCGGTTATCTCCCGTCTGGGCCATACCGATCAGATT
* ** ** **** ** ** **** ** *********** ***** *** *

18. rbsD в энтеробактериях: ответ
Sty AGGGTTACACTGCGGC-CAGCGAAACGTTTCGCTAGTGGAGCAGAAAAATGAAGAAAGGC
Sen AGGGTTACACTGCGGC-CAGCGAAACGTTTCGCTAGTGGAGCAGAAAAATGAAGAAAGGC
Stm GGGGTTACACTGCGGC-CAGCGAAACGTTTCGCTAGTGGAGCAGAAAAATGAAGAAAGGC
Eco AGGATTAAACTGTGGGTCAGCGAAACGTTTCGCTGATGGAGAA-AAAAATGAAAAAAGGC
Ype TTTTCTAAACTCCTTGTTAGCGAAACGTTTCGCTCTTGGAGTA-GATCATGAAAAAAGGT
** *** **************** ***** * * ***** *****
Sty ACCGTACTCAACTCTGAAATCTCGTCGGTCATTTCCCGTCTGGGGCATACTGATACTCTG
Sen ACCGTACTCAACTCTGAAATCTCGTCGGTCATTTCCCGTCTGGGGCATACTGATACTCTG
Stm ACCGTACTCAACTCTGAAATCTCGTCGGTCATTTCCCGTCTGGGGCATACTGATACTCTG
Eco ACCGTTCTTAATTCTGATATTTCATCGGTGATCTCCCGTCTGGGACATACCGATACGCTG
Ype GTATTACTGAACGCTGATATTTCCGCGGTTATCTCCCGTCTGGGCCATACCGATCAGATT
* ** ** **** ** ** **** ** *********** ***** *** *

19. Мораль
Комплексный подход: использование многих разнородных соображений, каждое из которых по отдельности – слабое
Сравнительный подход: одновременный анализ множества геномов (находящихся на различных эволюционных расстояниях друг от друга)

20. Идеология Сходство => гомология (общность происхождения)
Сходство => гомология (общность происхождения)
Гомология => сходная функция
Принцип Пирсона: консервативно то, что важно
функциональные мотивы в белках
регуляторные сайты в ДНК
не обязательно последовательности
структура белка и РНК
расположение генов на хромосоме
ко-экспрессия генов

21. Transporters Two main classes
ATP-dependent
TM-protein (permease)
ATPase
Substrate-binding protein
Secondary (symporters, antiporters)
Difficult to study in experiment (compared to enzymes)
Relatively easy to identify
Similarity to known transporters
Prediction of transmembrane segments
Difficult to predict specificity H+

22. Функциональный анализ транспортеров
Предсказание общей функции
гомология
анализ трансмембранных сегментов
Отнесение к функциональной подсистеме (метаболическому пути)
ко-локализация
ко-регуляция
Предсказание специфичности
анализ филогенетического профиля
конечный продукт биосинтетического пути: присутствует в геномах, не имеющих пути (импорт заменяет биосинтез)
промежуточный продукт биосинтетического пути; может заменять часть пути «выше по течению»
исходный продукт катаболического или биосинтетического пути: не встречается в геномах, где этот путь отсутствует

23. It is difficult to predict specificity by sequence analysis
(nickel-oligopeptide family, substrate-binding NikA)

24. PnuC family of cofactor transporters

25. Riboflavin biosynthesis pathway

26. 5’ UTR regions of riboflavin genes from various bacteria

27. Conserved secondary structure of the RFN-element
Capitals: invariant (absolutely conserved) positions.
Lower case letters: strongly conserved positions.
Dashes and stars: obligatory and facultative base pairs
N: any nucleotide. X: any nucleotide or deletion

28. Attenuation of transcription
Antiterminator
Terminator
The RFN element
Antiterminator

29. Attenuation of translation
Antisequestor
SD-sequestor
The RFN element

30. Рибопереключатель RFN: регуляторный механизм
Transcription attenuation
Translation attenuation

31. YpaA/RibU: транспортёр рибофлавина
5 предсказанных ТМ-сегментов => потенциальный транспортёр
регуляторный RFN-элемент => ко-регуляция с генами метаболизма рибофлавина => транспорт рибофлавина или предшественника
S. pyogenes, E. faecalis, Listeria: есть ypaA, нет генов биосинтеза рибофлавина => транспорт рибофлавина
Предсказание: YpaA – рибофлавиновый транспортёр (Gelfand et al., 1999)
Проверка:
генетический анализ (Кренева и др., 2000)
биохимический эксперимент (Burgess et al., 2006)

32. Биотиновый транспортер BioY

33. Метаболическая реконструкция тиаминового биосинтеза
= thiN (confirmed)
(Gram-positive bacteria)
(Gram-negative bacteria)
Transport of HMP
Transport of HET

34. yuaJ(=thiT): тиаминовый транспортер (возможно, H+-зависимый) в фирмикутах
6 предсказанных трансмембранных сегментов
Почти всегда регулируется THI-рибопереключателями
Встречается в геномах, в которых отсутствует тиаминовый путь (Streptococci);
В B. cereus импорт тиамина сопряжен с током протонов (Arch. Microbiol., 1977)

35. thiX-thiY-thiZ и ykoF-ykoE-ykoD-ykoC: предсказанные АТФ-зависимые транспортеры HMP
Не встречаются в геномах, в которых отсутствует тиаминовый путь
Всегда встречаются вместе с thiD и thiE
В ряде геномов (Pasteurellacee, Brucella некоторые фирмикуты) встречаются в отсутствие thiC

36. Co и Ni ко-локализация (хромосомные локусы) ко-регуляция
транспортеры Ni – фактор транскрипции NikR
транспортеры Co – рибопереключатель В12

37. Пять семейств транспортеров

38. Новое семейство транспортеров Co и Ni
+ CbiN
CbiM
Ni2+
Co2+
NikM
+ NikN
+ NikL, NikK
+ NikL

39. Структура локусов
гены
B12-элемент
сайт связывания NikR

40. Структура
cbiO=NikO~bioM cbiQ=NikQ~bioN

41. Проверка: тест на транспорт ионовCo Co Ni Ni Ni Co

42. Для транспорта достаточно компонент МN (первый пример такого АВС-транспортера)
cbiMNQO
cbiMNQ
cbiMN
cbiM
контроль

43. Вспомним BioY. Действительно, BioY достаточно; у BioMNY более крутая кинетика

46. Экспериментальные подтверждения
рибофлавин
тиамин
фолат

47. Томас Хеббельн (Берлин) – Cо, Ni, биотин
Дмитрий Родионов
регуляция транскрипции
метаболическая реконструкция
идентификация транспортеров
Алексей Витрещак
рибопереключатели
А.А. Миронов
программное обеспечение
Томас Хеббельн (Берлин) – Cо, Ni, биотин
Андрей Остерман (Сан Диего) – рибофлавин
Эндрю Хансон (Флорида) – тиамин
Дирк Слотблум (Гронинген) – фолат

49. Transporters Two main classes
ATP-dependent
TM-protein (permease)
ATPase
Substrate-binding protein
Secondary (symporters, antiporters)
Difficult to study in experiment (compared to enzymes)
Relatively easy to identify
Similarity to known transporters
Prediction of transmembrane segments
Difficult to predict specificity H+

50. It is difficult to predict specificity by sequence analysis
(nickel-oligopeptide family, substrate-binding NikA)

51. PnuC family of cofactor transporters

52. Riboflavin biosynthesis pathway

53. 5’ UTR regions of riboflavin genes

54. RFN-element Capitals: invariant (absolutely conserved) positions.
Lower case letters: strongly conserved positions.
Dashes and stars: obligatory and facultative base pairs
Degenerate positions: R = A or G; Y = C or U; K = G or U; B= not A; V = not U N: any nucleotide. X: any nucleotide or deletion

55. RFN: the mechanism of regulation
Transcription attenuation
Translation attenuation

56. YpaA: riboflavin transporter
5 predicted TM segments => a transporter
Upstream RFN element => co-regulation with riboflavin genes => transport of riboflavin / precursor
S. pyogenes, E. faecalis, Listeria spp.: ypaA, no riboflavin pathway => transport of riboflavin
Prediction: YpaA is riboflavin transporter (Gelfand et al., 1999)
Verification:
by genetic analysis (Kreneva et al., 2000)
directly (Burgess et al., 2006) => RibU
ypaA is regulated by riboflavin (Lee et al., 2001)
… via attenuation of transcription (Winkler et al., 2003)

57. Biotin transporter BioY
Identification:
co-localization
co-regulation
phylogenetic profiling
Additional components
ATPase(?) bioM
Permease(?) bioN

58. Thiamin biosynthesis = thiN (confirmed) Transport of HET
(Gram-positive bacteria)
(Gram-negative bacteria)
Transport of HMP
Transport of HET

59. yuaJ(=thiT): thiamine transporter
6 predicted TM-segments
Regulated by THI riboswitches
Streptococci: ThiT, no thiamine pathway

60. ykoFEDC: ATP-dependent HMP transporter
Regulated by THI riboswitches
Newer occurs in genomes lacking thiamine pathway
Always co-occurs with thiD and thiE
Sometimes occurs without thiC

61. Cobalt and Nickel Co-localization Co-regulation
Ni transporters with genes for Ni-dependent enzymes
Co transporters with cobalamine biosynthesis genes
Co-regulation
Ni transporters by transcription factor NikR
Co transporters by В12 riboswitich

62. Structure of the loci
genes
B12 riboswitch
NikR binding site

63. Five families of transporters

64. New ATP-dependent transporters
+ CbiN
CbiM
Ni2+
Co2+
NikM
+ NikN
+ NikL, NikK
+ NikL

65. Dmitry Rodionov  Thomas Eitinger

66. Test 1: predicted specificity is correctNi Ni Ni Co

67. Structure: too many components

68. Biotin transporter BioY
ATPase BioM ~ CbiO = NikO
Permease BioN ~ CbioQ = NikQ

69. Test 2: MN components are suffucient (ATPase and permease are dispensable)
cbiMNQO
cbiMNQ
cbiMN
cbiM
control

70. Test 3: BioY is sufficient Even if the genome had BioMNY; BioMNY has better cinetics

71. Tip of the iceberg?

75. Validations
RibU: riboflavin
ThiT: thiamin
FolT: folate (like BioY)

76. Universal energizing component + specific components

77. “Понять” эволюцию геномов/организмов
Цель (глобальная)
Предсказать свойства организма путем (компьютерного) анализа его генома
(возможно, с использованием дополнительной информации: эпигенетика, белок-белковые взаимодействия и т.п.)
сейчас: метаболическая реконструкция, транспортные системы, ответ на стресс и т.д.
“Понять” эволюцию геномов/организмов

78. «Неприкладная» биоинформатика
Молекулярная эволюция
филогения генов
таксономия организмов
горизонтальные переносы и т.п.
положительный и отрицательный отбор
что сделало нас людьми?
лекарственная устойчивость
эволюция геномов
Системная биология
строение геномов
сети взаимодействий
белок-белковые
регуляция транскрипции
сигнальные пути

79. Задачи биоинформатики
С проверяемым ответом
предсказание функции, регуляции, структуры и т.п.:
ставим эксперимент
С непроверяемым ответом
эволюционные деревья
но если бы знать все геномы всех (в том числе очень давно умерших) существ, то задача станет тривиальной
С принципиально непроверяемым ответом (который зависит от операциональных определений)
идентификация повторов, консервативных областей, островов метилирования и т.п.
(так ли он непроверяем?)
Без ответа (общеописательные)
статистика геномов (изохоры и т.п.)
описание регуляторных и пр. сетей (hubs, мотивы и т.п.)

80. «В принципе не проверяемые ответы» (зависящие от определений)
Так ли они непроверяемы?
Повторы
если иметь все геномы, то можно описывать вставки/замены фрагментов генома и их последующее расхождение
Консервативные области
если иметь все геномы, то можно просто оценивать локальную скорость эволюции (но это будет функцией времени)
Статистика ДНК (локальный нуклеотидный состав)
это следствие локального паттерна замен, так и надо описывать
Микросателлиты
можно ли «функционально» (а не операционально) определить микросателлит, исходя из динамики вставок/замен/дупликаций?
CpG-острова
можно ли «функционально» (а не операционально) определить CpG-остров, исходя из паттерна мутаций, состояния метилирования и т.п.? (тут уже эволюция + эксперимент)

81. откуда оно все взялось? Цель (недостижимая?)
первое приближение – реконструкция генома/свойств LUCA
реально ли заглянуть глубже?
реально ли смоделировать? (времена)
реально ли смоделировать «по частям»?