Ортологічні фактори транскрипції бактерій мають різні функції та регулюють різні гени

* Кому слід адресувати листування. Електронна адреса: [email protected]

Відділ фізичних біологічних наук, Національна лабораторія Лоуренса Берклі, Берклі, Каліфорнія, Сполучені Штати Америки, Віртуальний інститут мікробного стресу та виживання, Каліфорнійський університет Берклі, Берклі, Каліфорнія, Сполучені Штати Америки

Morgan N Price,
Парамвір С Дехал,
Адам П Аркін

Цифри

Анотація

Підсумок автора

Цитування: Прайс М.Н., Дехал П.С., Аркін А.П. (2007) Ортологічні фактори транскрипції у бактерій мають різні функції та регулюють різні гени. PLoS Comput Biol 3 (9): e175. https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.0030175

Редактор: Уве Олер, Університет Дьюка, Сполучені Штати Америки

Отримано: 2 лютого 2007 р .; Прийнято: 25 липня 2007 р .; Опубліковано: 7 вересня 2007 р

Це стаття з відкритим доступом, що розповсюджується згідно з умовами декларації Creative Commons Public Domain, яка передбачає, що після розміщення у загальнодоступному доступі цей твір може вільно відтворюватися, розповсюджуватися, передаватися, модифікуватися, створюватися або іншим чином використовувати з будь-якою законною метою.

Фінансування: Автори не отримали конкретного фінансування для цього дослідження.

Конкуруючі інтереси: Автори заявили, що не існує конкуруючих інтересів.

Скорочення: BBH, найкращі двонаправлені хіти BLAST; КОГ, колекції ортологічних груп; HGT, горизонтальний перенос гена; TF, фактор транскрипції

Вступ

Основною метою порівняльної геноміки є виявлення спільних функціональних особливостей між організмами та з'ясування еволюційної розбіжності цих ознак. Наприклад, коли інформацію про регуляцію генів можна передати від модельних організмів до послідовних родичів? Як еволюціонує регуляція транскрипції у бактерій, і як самі фактори транскрипції (ТФ) [1–5]? Оскільки один бактеріальний геном може кодувати сотні TF, включаючи десятки представників єдиного сімейства регуляторів, аналіз еволюції цих TF не є простим. Дійсно, ми покажемо, що популярний метод у порівняльній геноміці дає оманливі результати при застосуванні до ФТ.

Першим кроком у більшості порівняльних геномних аналізів є виявлення відповідних генів або ортологів. Ортологи формально визначаються як гомологічні гени, що відійшли від загального предка вертикальним спуском [6]. Ортологи контрастують з паралогами, тобто генами, що розходяться шляхом дублювання генів, та ксенологами, тобто гомологічними генами, історія дивергенції яких включає одну або кілька подій горизонтального переносу генів (HGT). Як суворо визначено, ортологія описує еволюційні взаємозв'язки генів, а не їх функціональні взаємозв'язки. Таким чином, ортологічні гени не обов'язково повинні мати збережені функції. Хоча орфологію часто розглядають як взаємозв'язок "один на один" між двома генами різних організмів, еволюційна ортологія дозволяє отримати більш складні взаємозв'язки: наприклад, два нещодавно продубльовані гени в одному організмі є еволюційними коортологами відповідного гена від родовід, який не зазнав події дублювання.

Однак у дослідженнях бактеріальної еволюції це еволюційне визначення ортології зазвичай не використовується. Через високі показники HGT багато генів є ксенологами, а не ортологами. На жаль, виявити всі випадки ГГТ досить складно, і різні методи дають суперечливі результати [7]. Тим не менше, очевидно, що HGT широко поширений, і є згода, що багато або більшість генів бактерій, що дійшли до нас, були придбані HGT [8–10].

Замість еволюційної ортології більшість працівників у цій галузі використовують неформальну концепцію функціональної еквівалентності: ортологи - це гомологічні гени, які тісно пов’язані між собою і, як передбачається, мають однакову або тісно пов’язану функцію. Через відсутність функціональних даних для більшості генів, ортологи визначаються як найкращі двонаправлені звернення BLAST (BBH) або отримуються з підходів вищого рівня, заснованих на BLAST, таких як колекції ортологічних груп (COG) [11]. Це оперативне визначення ортології має ту перевагу, що функціонально відповідні гени можуть розглядатися як рівнозначні незалежно від деталей їх еволюційної історії. Однак, оскільки більшість розглянутих генів відомі лише з послідовності геномів, важко зрозуміти, чи справді вони мають відповідні функції. Таким чином, використання передбаченої функціональної еквівалентності як основи ортології критикується за відсутність суворості [12]. Інша проблема BBH полягає в тому, що через нерівномірність темпів еволюції найкращий удар BLAST може бути не найближчим гомологом в еволюційному дереві [13].

Ми задалися питанням, як поняття та практика ортології, визначені еволюційним аналізом чи очікуваною функціональною еквівалентністю, застосовуються до ФТ. Найпопулярнішими методами присвоєння ортології є BBH та COG. Підхід COG є менш корисним для вивчення ФТ, оскільки він об’єднує великі сімейства ТФ в окремі ортологічні групи. Наприклад, E. coli K12 налічує 45 представників групи LysR (COG583), які реагують на найрізноманітніші сигнали та регулюють різні набори генів.

З іншого боку, багато досліджень використовували ортологи на основі BLAST для вивчення регуляції бактерій [2,4,5,14–16]. Ці дослідження припускають, що регуляція зберігається, так що ортологічні ТФ регулюватимуть ортологічні гени. Однак, оскільки бактеріальні геноми часто містять багато членів сімейства TF, ми підозрювали, що призначення ортологів BBH часто дасть оманливі результати. Наявність великих сімей вказує на те, що ТФ часто дублюються, і підхід найкращих хітів вибере найменш розбіжний дублікат як ортолог. Крім того, якщо всі близькі гомологи були видалені, то віддалені гомологи все одно будуть присутні, і один з цих віддалених гомологів може бути фальшивим ВВН. У бактерій паралогічні ТФ зазвичай виконують різні функції, і регуляторні мережі транскрипції можуть швидко розвиватися [1,3,4], тому в будь-якому випадку функція гомолога, ймовірно, змінилася. Навпаки, еволюційний аналіз ортології враховує всі геноми, а не лише два одночасно, тому цих помилок можна уникнути.

Тим не менше, ортологи на основі BLAST успішно використовувались для ідентифікації збережених регуляторних послідовностей [2,14–16] та зв’язування кластерів подібних регуляторних послідовностей („мотивів”) з ПТ, які пов’язують ці послідовності [17]. Ми стверджуємо, що ці аналізи були успішними, оскільки вони були зосереджені на близькоспоріднених бактеріях, таких як сімейство ентеробактерій, у яких дублювання та зміна функції мали менше часу. Дійсно, збережені регуляторні послідовності набагато частіше можна знайти, коли розглядаються лише найближчі родичі [18]. Це ілюструє ще одну причину того, чому ортологи на основі BLAST були ефективними в цьому контексті, тобто те, що пошук мотивів зазвичай повертає результати лише для тих генів, регуляція яких збережена. Якщо положення змінилося, то ці методи зазвичай не дають результатів, а не неправильні результати.

Зовсім недавно еволюційні дослідження вивчали збереження TF та їх регульованих генів у віддалених родинних бактеріях [4,5]. У цих дослідженнях використовувались передбачувані ортологи з ВВН, щоб визначити наявність та відсутність ТФ, і передбачали, що ортологічні ТФ регулюватимуть ортологічні гени, якщо присутні обидва ортологи. (Ці дослідження не шукали збережених регуляторних послідовностей.) На більших філогенетичних відстанях, розглянутих у цих дослідженнях, ВВГ можуть дати оманливі результати.

Тут ми перевіряємо ВВГ характеризуваних TF E. coli як за еволюційними, так і за функціональними критеріями. Щоб перевірити, чи BBH є еволюційними ортологами, ми побудували філогенетичні дерева для всіх BBHs TF між E. coli та B. subtilis. Щоб визначити, чи підтримується регуляція між ВВН, ми систематично досліджували характерні ТФ та дані експресії організмів на діапазоні філогенетичних відстаней від кишкової палички. Ми виявили, що призначення ортології для ТФ від віддалених споріднених бактерій (наприклад, бактерій з різних підрозділів) є ненадійними: частіше за все, ВВГ не є еволюційними ортологами і мають різні функції. Крім того, дані експресії свідчать про те, що регуляторні взаємодії часто не зберігаються навіть на більш близьких філогенетичних відстанях і навіть коли ці гени є еволюційними ортологами. Ми знайшли експериментальні докази в літературі та докази в послідовності геному, щоб підтвердити деякі з цих змін. Таким чином, регуляція генів розвивається швидше, ніж вважалося раніше.

Результати

“Ортологічні” фактори транскрипції між кишковою паличкою та B. subtilis

Спочатку ми дослідили передбачувані ортологи від ВВН для ТФ у E. coli K12 та B. subtilis. Таке порівняння зручно, оскільки десятки TF в кожному організмі досліджені експериментально і тому, що складено відомі регуляторні взаємодії [19–22]. Крім того, багато родичів цих бактерій було послідовно проведено (рис. 1). Хоча кишкова паличка та B. subtilis пов'язані між собою і належать до різних типів, останні еволюційні дослідження розглядають "ортологічні" ФТ між ними [4,5].