A baktériumok ortológ transzkripciós faktorai különböző funkciókkal rendelkeznek és különböző géneket szabályoznak

* Kinek kell címezni a levelezést. E-mail: [email protected]

Fizikai biológiai tudományok osztálya, Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratórium, Berkeley, Kalifornia, Amerikai Egyesült Államok, Virtuális Mikrobiális Stressz és Túlélés Intézet, Kaliforniai Egyetem Berkeley, Berkeley, Kalifornia, Amerikai Egyesült Államok

Fizikai biológiai tudományok részlege, Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratórium, Berkeley, Kalifornia, Amerikai Egyesült Államok, Virtuális Mikrobiális Stressz és Túlélés Intézete, Kaliforniai Egyetem Berkeley, Berkeley, Kalifornia, Amerikai Egyesült Államok, Bio-mérnöki Tanszék, Kaliforniai Berkeley Egyetem, Berkeley, Kalifornia, Amerikai Egyesült Államok

Morgan N Price,
Paramvir S Dehal,
Adam P Arkin

Ábrák

Absztrakt

Szerző összefoglalása

Idézet: Price MN, Dehal PS, Arkin AP (2007) A baktériumok ortológ transzkripciós tényezőinek különböző funkciói vannak és különböző géneket szabályoznak. PLoS Comput Biol 3 (9): e175. https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.0030175

Szerkesztő: Uwe Ohler, Duke University, Amerikai Egyesült Államok

Fogadott: 2007. február 2 .; Elfogadott: 2007. július 25 .; Közzétett: 2007. szeptember 7

Ez egy nyílt hozzáférésű cikk, amelyet a Creative Commons Public Domain nyilatkozata alapján terjesztenek, amely előírja, hogy a nyilvánosság elé kerülve ezt a művet bárki szabadon reprodukálhatja, terjesztheti, továbbíthatja, módosíthatja, továbbépítheti vagy más módon felhasználhatja. bármilyen törvényes célból.

Finanszírozás: A szerzők nem kaptak külön támogatást ehhez a tanulmányhoz.

Versenyző érdeklődési körök: A szerzők kijelentették, hogy nincsenek versengő érdekek.

Rövidítések: BBH, kétirányú legjobb BLAST slágerek; COG-k, ortológus csoportok gyűjteményei; HGT, horizontális géntranszfer; TF, transzkripciós faktor

Bevezetés

Az összehasonlító genomika alapvető célja a szervezetek közötti funkcionális jellemzők azonosítása és e tulajdonságok evolúciós divergenciájának tisztázása. Például mikor lehet a génszabályozással kapcsolatos információkat átadni a modell organizmusokról a szekvenált rokonokra? Hogyan fejlődik a transzkripciós szabályozás a baktériumokban, és hogyan alakulnak maguk a transzkripciós faktorok (TF) [1–5]? Mivel egyetlen bakteriális genom több száz TF-t kódolhat, köztük egyetlen szabályozó család több tucat képviselőjét, e TF-ek evolúciójának elemzése nem egyszerű. Valóban megmutatjuk, hogy az összehasonlító genomikában egy népszerű módszer félrevezető eredményeket ad, ha TF-ekre alkalmazzák.

A legtöbb összehasonlító genomikai elemzés első lépése a megfelelő gének vagy ortológusok azonosítása. Az ortológusokat formálisan homológ génekként definiálják, amelyek vertikális származással tértek el a közös ősektől [6]. Az ortológusok ellentétben állnak a paralógokkal, azaz a gének duplikációjával szétvált génekkel és az xenológokkal, azaz olyan homológ génekkel, amelyek divergenciájának története egy vagy több horizontális géntranszfer (HGT) eseményt tartalmaz. A szigorúan meghatározottak szerint az ortológia a gének evolúciós kapcsolatait írja le, nem pedig funkcionális kapcsolataikat. Így az ortológ géneknek nem feltétlenül kell konzervált funkciókkal rendelkezniük. Bár az ortológiát gyakran úgy gondolják, mint két különféle organizmusból származó gén egymással szembeni kapcsolatát, az evolúciós ortológia bonyolultabb kapcsolatokat tesz lehetővé: például egy szervezetben két nemrégiben megkettőzött gén evolúciós ko-ortológusa a megfelelő génnek egy nemzetség, amely nem tapasztalta a duplikációs eseményt.

A baktériumok evolúciójának vizsgálata során azonban az ortológia evolúciós meghatározását általában nem használják. A HGT magas aránya miatt sok gén xenológ, nem pedig ortológus. Sajnos a HGT összes esetének azonosítása meglehetősen nehéz, és a különböző módszerek ellentmondásos eredményeket adnak [7]. Mindazonáltal egyértelmű, hogy a HGT széles körben elterjedt, és egyetértés van abban, hogy a fennmaradt baktériumok génjeinek nagy részét vagy többségét a HGT szerezte be [8–10].

Az evolúciós ortológia helyett a területen dolgozók többsége a funkcionális ekvivalencia informális fogalmát használja: az ortológusok homológ gének, amelyek szorosan kapcsolódnak egymáshoz, és előrejelzések szerint azonos vagy szorosan kapcsolódó funkcióval rendelkeznek. A legtöbb gén funkcionális adatainak hiánya miatt az ortológusokat kétirányú legjobb BLAST találatokként (BBH) definiálják, vagy magasabb szintű BLAST alapú megközelítésekből, például ortológ csoportok (COG) gyűjteményéből származnak [11]. Az ortológia ezen operatív definíciójának megvan az az előnye, hogy a funkcionálisan megfelelő gének evolúciós történetük részleteitől függetlenül ekvivalensnek tekinthetők. Mivel azonban a figyelembe vett gének nagy része csak a genomszekvenciából ismert, nehéz megtudni, hogy valóban vannak-e megfelelő funkcióik. Így az előrejelzett funkcionális ekvivalencia ortológia alapjául szolgáló kritikát a szigorúság hiánya miatt kritizálták [12]. A BBH-k másik problémája, hogy az egyenetlen evolúciós sebesség miatt a legjobb BLAST találat nem biztos, hogy a legközelebbi homológ az evolúciós fán [13].

Arra voltunk kíváncsiak, hogy az ortológia fogalma és gyakorlata, függetlenül attól, hogy ezt evolúciós elemzés vagy várható funkcionális ekvivalencia határozza meg, hogyan alkalmazható a TF-ekre. Az ortológia hozzárendelésének legnépszerűbb módszerei a BBH-k és a COG-k. A COG-megközelítés kevésbé hasznos a TF-ek tanulmányozásához, mert a TF-ek nagy családjait egyetlen ortológiai csoportokba bontja. Például az E. coli K12-nek 45 tagja van a LysR csoportnak (COG583), amelyek sokféle jelre reagálnak és különböző génkészleteket szabályoznak.

Másrészt sok tanulmány BLAST-alapú ortológusokat használt a baktériumok szabályozásának tanulmányozására [2,4,5,14–16]. Ezek a tanulmányok azt feltételezik, hogy a szabályozás konzervált, így az ortológ TF-ek az ortológ géneket szabályozzák. Mivel azonban a baktériumok genomjai gyakran tartalmaznak egy TF család sok tagját, gyanítottuk, hogy a BBH-k által végzett ortológuskiosztás gyakran megtévesztő eredményeket ad. A nagycsaládosok jelenléte azt jelzi, hogy a TF-ek gyakran megismétlődnek, és a legjobban eltalált megközelítés a legkevésbé divergált kettőt választja ortológusként. Továbbá, ha az összes közeli homológot törölték, akkor távoli homológok továbbra is jelen lesznek, és e távoli homológok egyike hamis BBH lehet. Baktériumok esetén a paralóg TF-ek általában különböző funkciókkal rendelkeznek, és a transzkripciós szabályozó hálózatok gyorsan fejlődhetnek [1,3,4], így bármelyik esetben valószínűleg megváltozik a homológ funkciója. Ezzel szemben az ortológia evolúciós elemzései minden genomot figyelembe vesznek, nem csak kettőt egyszerre, így ezek a hibák elkerülhetők.

Mindazonáltal a BLAST-alapú ortológusokat sikeresen alkalmazták a konzervált szabályozó szekvenciák [2,14–16] azonosítására, és hasonló szabályozó szekvenciák („motívumok”) klasztereinek összekapcsolására az ezeket a szekvenciákat megkötő TF-ekkel [17]. Azt állítjuk, hogy ezek az elemzések sikeresek voltak, mert szorosan kapcsolódó baktériumokra összpontosítottak, például az Enterobacteria családra, amelyeken belül a duplikációnak és a funkció megváltozásának kevesebb ideje volt bekövetkezni. A konzervált szabályozási szekvenciák sokkal valószínűbbek, ha csak közeli rokonokat vesznek figyelembe [18]. Ez szemlélteti a BLAST-alapú ortológusok további eredményességét ebben az összefüggésben, vagyis azt, hogy a motívumkeresés általában csak azoknak a géneknek ad eredményt, amelyek szabályozása konzervált. Ha a szabályozás megváltozott, akkor ezek a módszerek általában nem eredményeznek eredményt, nem pedig helytelen eredményeket.

Újabban az evolúciós vizsgálatok megvizsgálták a TF-ek és szabályozott génjeik megőrzését a távoli rokonságban lévő baktériumok között [4,5]. Ezek a tanulmányok a BBH-k feltételezett ortológusait használták a TF-ek jelenlétének és hiányának meghatározásához, és azt jósolták, hogy az ortológ TF-ek szabályozni fogják az ortológ géneket, ha mindkét ortológus jelen van. (Ezek a vizsgálatok nem keresték konzervált szabályozó szekvenciákat.) Az e vizsgálatok által figyelembe vett nagyobb filogenetikai távolságoknál a BBH-k félrevezető eredményeket adhatnak.

Itt teszteljük az E. coli jellemzett TF-jeinek BBH-jait mind evolúciós, mind funkcionális szempontok alapján. Annak tesztelésére, hogy a BBH-k evolúciós ortológusok-e, filogenetikus fákat építettünk a TF összes BBH-jához az E. coli és a B. subtilis között. Annak eldöntésére, hogy a BBH-k között fennmarad-e a szabályozás, szisztematikusan megvizsgáltuk a jellemzett TF-ket és az organizmusokból származó expressziós adatokat az E. coli filogenetikai távolságának tartományában. Megállapítottuk, hogy a távoli rokonságban lévő baktériumok (pl. Különböző felosztású baktériumok) TF-jeinek ortológiai hozzárendelései megbízhatatlanok: a BBH-k gyakran nem evolúciós ortológusok és eltérő funkciókkal rendelkeznek. Továbbá, az expressziós adatok arra utalnak, hogy a szabályozási interakciók gyakran nem konzerválódnak, még közelebbi filogenetikai távolságok esetén sem, még akkor sem, ha az érintett gének evolúciós ortológusok. Kísérleti bizonyítékokat találtunk az irodalomban és a genomszekvenciában található bizonyítékokat e változások némelyikének megerősítésére. Így a génszabályozás a jelek szerint gyorsabban fejlődik.

Eredmények

„Ortológ” transzkripciós faktorok az E. coli és a B. subtilis között

Először megvizsgáltuk a BBH-k feltételezett ortológusait az E. coli K12 és a B. subtilis TF-jeire. Ez az összehasonlítás azért kényelmes, mert minden szervezetben TF-ek tucatjait vizsgálták kísérletileg, és mert ismert szabályozási kölcsönhatásokat állítottak össze [19–22]. Ezenkívül e baktériumok számos rokonát szekvenálták (1. ábra). Habár az E. coli és a B. subtilis távoli rokonságban vannak és különböző phylákhoz tartoznak, a legújabb evolúciós tanulmányok „ortológ” TF-ket tekintettek egymás között [4,5].