БИОФИЗИКА, 2015, том 60, вып. 1, с. 15-17
МОЛЕКУЛЯР НАЯ БИОФИЗИКА
УДК 577.3
«СИНФАЗНЫЕ БЛОКИ» - КОНСЕРВАТИВНЫЕ УЧАСТКИ ДВОЙНОЙ СПИРАЛИ ДНК МОДУЛЕЙ Р ЕГУЛЯЦИИ ТРАН СКРИПЦИИ - СБЛИЖЕНЫ В П РОСТР АН СТВЕ ВСЛЕДСТВИЕ СФАЗИРОВАННОСТИ ОТНОСИТЕЛЬНО ВИТКА СУПЕРСПИРАЛИ ДНК НУКЛЕОСОМЫ
© 2015 г. А.П. Лифанов, В.Ю. Макеев*, Н.Г. Есипова
Институт молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта РАН, 119991, Москва, ул. Вавилова, 32; *Институт общей генетики им. Н.И. Вавилова РАН, 119991, ул. Губкина, 3
E-mail: johnnie_me@list. ru Поступила в p едакцию 26.09.14 г.
В результате межвидового сравнения гомологичных нуклеотидных последовательностей локусов генов раннего развития Drosophila выделены консервативные участки длиной 30-70 нуклеотидов, по длине находящиеся на промежуточном уровне между сайтами связывания факторов транскрипции (обычно около 7-10 нуклеотидов) и нуклеосомным повтором (165-210 нуклеотидов). Найденные участки располагаются в основном в районе известных функциональных элементов локуса (цис-регуляторных модулей - энхансеров, проксимального промотора, кодирующего сегмента). Эти уча стки, занимая в сумме не более половины общей длины энхансера, содержат в себе подавляющее большинство аннотированных сайтов связывания факторов транскрипции. Квазипериодическая картина размещения консервативных участков хорошо согласуется с экспериментально определенным паттерном локализации нуклеосом. Период расположения соседних участков часто составляет примерно 84 нуклеотида - длину витка суперспирали ДНК, входящей в нуклеосому. Это соответствие периодов позволяет назвать выделенные консервативные участки «синфазными» блоками и утверждать, что они, располагаясь на соседних витках нуклеосомной суперспирали, сближены в пространстве.
Ключевые слова: энхансер, модуль регуляции транскрипции, сайты связывания регуляторных факторов, нуклеосома.
В настоящее время широко распр остранена как обработка данных об уже известных элементах генома (например, поиск мест «сгущения» и «разрежения» элементов, как Срв-острова [1], кластеры сайтов связывания факторов регуляции транскрипции [2], обогащения или обеднения определенны х участков локуса местами связывания нуклеосом [3]), так и подходы, направленные на выявление в геноме новых элементов и закономерностей. Один из таких подходов - сравнение гомологичных нуклеотидных последовательностей для организмов с различным эволюционным расстоянием и выделение похожих участков [4].
В первой части настоящей работы проведено сравнение гомологичных нуклеотидных последовательностей и определены положения консервативных участков для локусов группы генов раннего развития нескольких видов Ого-
Сокращение: ССФТ - сайт связывания факторов транскрипции, нт - нуклеотиды.
sophila: D. melanogaster, D. pseudoobscura, D. вгвМа, D. littoralis, D. willistoni.
Для нахождения консервативных участков использовали компьютерную пр ограмму OWEN [5], позволяющую выравнивать две про -тяженные гомологичные нуклеотидные последовательности и выделять участки с заданной степенью совпадения. Для уточнения параметров выр авнивания (размер а окна и степени совпадения) было пр оведено ср авнение геномных последовательностей локуса гена even-skipped из геномов перечисленных выше видов Drosophila с локусом «эталонного» вида D. melanogaster. Анализ результатов ср авнения показал, что оптимальной для выделения консервативных блоков является пара D. melanogaster-D. pseu-doobscura. С учетом требования по включению в находимые блоки известных сайтов связывания факторов транскрипции (ССФТ) было про -изведено уточнение параметров выравнивания и степени консервативности находимых отрезков: степень консервативности принята не ниже
16
ЛИФАНОВ и др.
_|_|_I_I_I_I_I_I__■
20 40 60 80 100 120 140 160
Позиция в сегменте, нт
Относительное расположение консервативных участков и нуклеосом на ДНК на примере начального отрезка локуса гена even-skipped генома D. melano-gaster. Карта локуса представлена в виде сегментов длиной 170 нт, отображенных один под другим (начало локуса - сверху); серые полосы - консервативные участки, черные вертикальные линии -центры экспериментально определенных мест посадки нуклеосом. Слева - разметка функциональных элементов локуса: энхансеров (ell, str3+7, str2), проксимального промотора (ТАТА) и кодирующего сегмента (CDS).
90% (совпадение девяти нуклеотидов (нт) в окне, равном 10 нт); значения остальных пар аметров выр авнивания совпадали со значениями по умолчанию. Для выбранной пары видов Dro-sophila положение консервативных участков определено для генов группы pair-rule [6]: even-skipped, hairy, odd-skipped, paired, runt, fus hi ta-razu, odd-paired, sloppy paired и ten. Положение ССФТ и известных регуляторных и кодирующих сегментов в локусах перечисленных генов Drosophila взято из работы [2].
Найденные консервативные участки имеют протяженность в среднем от 30 до 70 нт и по длине находятся на промежуточном уровне между сайтами связывания факторов транскрипции (обычно около 7-10 нт) и нуклеосомным повтором (165-210 нт). Эти последовательности, в сумме занимая не более половины общей длины энхансера, включают в себя большинство ССФТ. Неконсервативные участки последовательностей также обычно не похожи на случайные и, по-видимому, могут нести какую-то функциональную нагрузку.
Во второй части работы положения найденных консервативных участков сравниваются с местами локализации нуклеосом на ДНК ло-кусов изучаемых генов, определенными в работе [3].
Для отображения найденных консервативных участков для каждого из перечисленных генов построена карта локуса - числовая последовательность, содержащая ненулевые значения в позициях, лежащих внутри участков, и нули в остальных местах. На карту локуса также нанесены положения центров локализации нуклеосом.
Для установления близости периодов расположения консервативных уча стков и мест локализации нуклеосом карты локусов разделяются на последовательные сегменты длиной 170 нт; эта величина близка к минимальной длине нуклеосомного повтора [7]. Полученные сегменты располагаются один над другим. Результат такой сегментации для начального участка локуса гена even-skipped генома D. melanogaster приведен на рисунке. Сравнение картин сегментации локусов указанного и остальных генов позволяет выделить общие характерные черты.
Во-первых, как консервативные блоки, так и места локализации нуклеосом обр азуют сгущения (кластеры) в местах расположения известных функциональных элементов локуса.
Во-вторых, картины размещения как консервативных элементов, так и мест локализации нуклеосом образуют взаимосогласованный паттерн. Этот паттерн близок к периодическому с пер иодом минимального нуклеосомного повтора : границы блоков из смежных периодов приблизительно выравниваются по вертикали. Это позволяет сделать вывод, что ДНК, вхо-дящая в состав функциональных элементов локуса, упакована в нуклеосомы. Картина подобного чередования с периодом, близким к нук-леосомному, наблюдалась авторами данной ра -боты и для других участков генома - экзонов и интронов кодирующих областей коллагено-вых генов [9].
«СИНФАЗНЫЕ БЛОКИ»
17
Наконец, на длине 170 нт обычно помещаются два консервативных блока и две промежуточные неконсервативные вставки. Характерное р асстояние между соседними консервативными участками составляет пример но 84 нт -длину витка суперспирали ДНК, входящей в нуклеосому [6,7]. Сходство этих длин позволяет утверждать, что указанные участки расположены на соседних витках нуклеосомной суперспирали, и позволяет назвать их «синфазными блоками».
Характерная длина триплета, состоящего из двух последовательно расположенных синфазных блоков, разделенных неконсервативной вставкой, составляет примерно 1,5 витка суперспирали ДНК, входящей в нуклеосому, что лишь немногим меньше полной длины такой ДНК (1,65-1,8 витка [7,8]). Таким обр азом, ДНК такого тр иплета почти полностью «закрывает» гистоновое ядро нуклеосомы. Центральный неконсервативный участок оказывается расположенным приблизительно на оси симметрии нук-леосомной частицы, в месте связывания одной нити ДНК. Синфазные блоки локализуются на противоположной стороне гистонового ядра, связывающего две нити ДНК, и оказываются, таким образом, сближенными в пространстве.
Обращение к одной из общепринятых трехмерных моделей нуклеосомы, включающей в себя также гистон Н1, стабилизирующий нити
ДНК на краях нуклеосомной частицы [10], позволяет объяснить неконсервативность центральной части триплета и, как следствие, отсутствие ССФТ на этом участке его экраниро -ванием белком H1.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, гранты 14-04-90034-Бел_а, 12-04-01776-а.
СПИС ОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. F. Antequera, С ell. Mol. Life Sri. 60, 1647 (2003).
2. A. P. Lifanov, V. J. Makeev, A. G. Nazina, and D. A. Papatsenko, Genome Res. 13, 579 (2003).
3. T. N. Mavrkh, et al., Nature 453, 358 (2008).
4. J. Toudiman, Nature Ed^ation Knowledge 3 (10), 13 (2010).
5. A. Y. Ogurtsov, M. A. Roytberg, S. A. Shabalina, and A. S. Kondrashov, Bioinformatics 18, 1703 (2002).
6. L. Wolpert and С. Tkkle, Prindples of Development (OKford University Press, 2002).
7. G. Felsenfeld and M. Groudine, Nature 421 (6921), 448 (2003).
8. L. Marino-Ramirez, M. G. Kann, B. A. Shoemaker, and D. Landsman, Expert Rev Proteomics 2, 719 (2005).
9. А. П. Лифанов, П. К. Власов, В. Ю. Макеев и Н. Г. Есипова, Биофизика 53, 524 (2008).
10. N. Happel and D. Doenecke, Gene 431 (1-2), 1 (2009).
"Co-Phased Blocks" - Conservative Regions of Double-stranded DNA of Transcriptional Regulatory Modules - are Close in Space due to Phasing at Nucleosome DNA Super Helix
A.P. Lifanov*, V.J. Makeev**, and N.G. Esipova*
*Engelhardt Institute of Molecular Biology, Russian Academy of Sciences, ul. Vavilova 32, Moscow, 119991 Russia **Vavilov Institute of General Genetics, Russian Academy of Sciences, ul. Gubkina 3, Moscow, 119991 Russia
Conservative regions varying in length from 30 to 70 nucleotides (nt) are revealed as a result of interspecies comparison of h
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.