Моделирование влияния мутаций

База данных TRRD (Transcription Regulatory Regions Database)

этом рисунке можно видеть графическое представление строения регуляторного района на основе информации из базы данных ТРРД. База данных ТРРД - признанный и наиболее полный источник информации по строению регуляторных районов генов, не имеющий аналогов в мировой науке. Информация, накапливаемая в этой базе данных, важна для создания искусственных генно-инженерных конструкций, обеспечивающих заданный уровень экспрессии определенного гена в заданной ткани, она представляет первостепенный интерес для конструирования искусственных генетических систем с принципиально новыми свойствами. Эта конструкция, в частности, содержит мышинный ген, контролирующий начальные стадии развития глаза, а также дрозофилиный ген-энхансер, активный только в определенных органах. Ее использование вызывает формирование глаз в тех клетках, в которых энхансер активен, т.е. на ногах, на крыльях и в различных участках головы у дрозофилы. В настоящее время все больший размах приобретают исследования такого рода, особенно на растениях. Громадные биотехнологические фирмы, например МОНСАНТА, с годовым оборотом в десятки миллиардов долларов осуществляют на основе методов трансгенеза радикальные изменения регуляторных систем растений, добиваясь при этом возникновения качественно новых морфологических и биохимических свойств у трансгенных растений

База данных TRRD (Transcription Regulatory Regions Database)

РЕГУЛЯТОРНЫЕ РАЙОНЫ ГЕНОВ ЭУКАРИОТ И ФОРМИРОВАНИЕ ТРАНСКРИПЦИОННОГО КОМПЛЕКСА

Рассмотрим теперь вторую проблему – исследование и моделирование влияния мутаций на регуляторные механизмы функции. Взаимодействие регуляторных белков с ДНК требует тонкого стереохимического соответствия между ними и сайтами их связывания. Пример ДНК-белкового комплекса между транскрипционным фактором USF человека и сайтом его связывания показан на этом рисунке. Мутационные нарушения конформации ДНК, нарушающие тонкое соответствие между сайтами и регуляторными белками – одна из причин возникновения молекулярных патологий.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МУТАЦИЙ:

ТРЕХМЕРНАЯ СТРУКТУРА ДНК-БЕЛКОВОГО КОМПЛЕКСА

30. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МУТАЦИЙ: конформационные особенности

настоящее время доказано наличие специального конформационного кода двойной спирали ДНК, записываемого в ее нуклеотидной последовательности. Например, конформационный параметр, описывающий взаимную ориентацию соседних комплементарных пар в спирали ДНК (угол спирального вращения TWIST), зависит от динуклеотидного контекста

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МУТАЦИЙ:

Динуклеотидный код угла спирального вращения ДНК (Helical Twist)

AA AT AG AC TA TT TG TC GA GT GG GC CA CT CG CC

35,6 29,3 31,9 31,1 39,5 35,6 36,0 35,9 35,9 31,1 33,3 34,6 35,9 31,9 34,9 33,3

Угол спирального вращения TWIST (градусы)

31. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МУТАЦИЙ: конформационные коды двойной спирали

Экспериментально установлены зависимости от динуклеотидного контекста всех параметров, определяющих конформационные особенности спирали ДНК. Основываясь на свойствах конформационного кода, мы разработали компьютерные методы, позволяющие выявлять конформационные особенности ДНК-сайтов, значимые для взаимодействия с транскрипционными факторами, и исследовать влияние мутаций на активность сайтов.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МУТАЦИЙ

КОНФОРМАЦИОННЫЕ КОДЫ ДВОЙНОЙ СПИРАЛИ

Параметры, определяющие взаимную ориентацию оснований в пределах комплементарной пары и взаимное расположение соседних пар в спирали ДНК, кодируются в динуклеотидном коде

32. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МУТАЦИЙ: полиморфизм по регуляторному району гена DUFFY

В настоящее время у человека выявлено огромное число мутаций в регуляторных районах генов, сопровождающихся выраженными патологическими проявлениями. Например, ген Duffy кодирует поверхностный рецептор, взаимодействие с которым необходимо для проникновения малярийного плазмодия в клетку. Белые европейцы восприимчивы к малярии, потому что у них нормально работает этот ген. В то же время в черных популяциях Африки в регуляторном районе этого гена фиксировалась мутация, повреждающая сайт связывания фактора GATA, необходимый для транскрипции гена Duffy. В результате этого африканцы не имеют антигена Duffy, что обеспечивает устойчивость аборигенов Африки к малярийному плазмодию.

Влияние мутаций на регуляторные районы генов

ПОЛИМОРФИЗМ ПО РЕГУЛЯТОРНОМУ РАЙОНУ ГЕНА DUFFY

33. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МУТАЦИЙ: сродство регуляторных белков к сайтам определяется конформационными свойствами ДНК

Проведенные исследования показали, что эффективность связывания транскрипционных факторов с ДНК-сайтами определяется их конформационными особенностями, которые могут сильно меняться при мутациях. Например, сродство СRO-репрессора к своему оператору определяется шириной большой бороздки ДНК, сродство транскрипционного фактора USF к ДНК зависит от угла twist закрученности спирали ДНК. Сродство ТВР белка с сайтом его связывания определяется шириной малой бороздки и т.д.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МУТАЦИЙ:

СРОДСТВО РЕГУЛЯТОРНЫХ БЕЛКОВ К САЙТАМ ИХ СВЯЗЫВАНИЯ ОПРЕДЕЛЯЕТСЯ КОНФОРМАЦИОННЫМИ СВОЙСТВАМИ ДНК

34. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МУТАЦИЙ: мутации в гене триптофан-диоксигеназы человека

Рассмотрим применение разработанных нами подходов к изучению мутации в гене триптофан-диоксигеназы человека, кодирующем фермент, участвующий в биосинтезе серотонина. Она сопровождается тяжелыми психическими патологиями: рассеяние внимания, наркотическая зависимость и др.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МУТАЦИЙ:

35. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МУТАЦИЙ: компьютерное и экспериментальное исследование влияния мутации G--->A на связывание транскрипционного фактора УУ1

Проведенный нами компьютерный анализ показал, что в нормальном гене в этом месте находится сайт связывания транскрипционного фактора УУ1 (положительный индекс сходства, обозначенный красным столбиком на данном рисунке). Однако при мутации этот сайт теряет способность связывать транскрипционный фактор YY1 (отрицательный индекс сходства, светлый столбик) Это означает, что в результате мутации происходит полное разрушение нормальной структуры УУ1 сайта. Полученные результаты послужили основой для планирования эксперимента, в котором изучалось связывание фактора УУ1 с этим сайтом в норме и при мутации. Результаты экспериментов, проведенных в нашем институте, подтвердили это предсказание, показав, что нормальный сайт действительно связывается с фактором, в то время как при мутации способность к связыванию теряется. Итак, одиночная нуклеотидная замена, мутация, возникщая в одной из трех миллиардов позиций генома человека, может оказать разрушающее влияние на фенотипические характеристики организма. Вот на каких тончайших весах взвешивается жизнь и здоровье человека.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МУТАЦИЙ:

КОМПЬЮТЕРНОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МУТАЦИИ G--->A НА СВЯЗЫВАНИЕ ТРАНСКРИПЦИОННОГО ФАКТОРА YY1

36. Описание экспериментальных данных в базе данных ТРРД

Регуляторные районы генов имеют, как правило, большую длину - от тысяч до десятков тысяч пар оснований и содержат большое количество сайтов, повреждение каждого из которых может приводить к возникновению тяжелых патологий. При инициации транскрипции фермент РНК полимераза II, белки базального транскрипционного комплекса, а также различные транскрипционные факторы взаимодействуют с ДНК-сайтами, расположенными в регуляторном районе, и между собой. В результате формируется сложный ДНК-белковый комплекс, после чего начинается транскрипция гена.

Несмотря на разнообразие строения регуляторных районов, большинство их особенностей можно описать в рамках предложенной нами блочно-иерархической информационной модели. В ее рамках нижний уровень организации регуляторного района соответствует сайту связывания транскрипционного фактора. Одновременно работающие группы сайтов образуют регуляторные единицы иерархически более высоких уровней: композиционные элементы, энхансеры, сайленсеры и т.д. Они могут находиться на больших расстояниях от стартов транскрипции на 5'- и 3'-концах генов, а также в интронах. Высший уровень иерархии соответствует системе интегральной регуляции транскрипции.

БАЗА ДАННЫХ TRRD:

ОРГАНИЗАЦИЯ РЕГУЛЯТОРНЫХ РАЙОНОВ ГЕНА ЧЕЛОВЕКА, КОДИРУЮЩЕГО БЕЛОК АПОЛИПОПРОТЕИН В

37. БАЗА ДАННЫХ TRRD: описание сайта связывания транскрипционного фактора

Эта модель взята за основу при создании базы данных TRRD (Transcription Regulatory Regions Database). Формат описания экспериментальных данных в этой базе основан на 88 информационных полях. На этом рисунке представлено описание в базе данных ТРРД одного из сайтов в гене аполипопротеина B на основе экспериментальных данных.

БАЗА ДАННЫХ TRRD:

ОПИСАНИЕ САЙТА СВЯЗЫВАНИЯ ТРАНСКРИПЦИОННОГО ФАКТОРА