Практикум 8. Сигналы в геноме. Поиск известных сигналов

Выбор сигнала

Для выполнения данного практического задания я выбрала для исследования сигнал Rho-независимый терминатор

Описание сигнала

Название сигнала: RHo-независимый терминатор

Носитель сигнала: Последовательность нуклеотидов ДНК и соответствующая ей РНК - участок, содержащий инвертированные повторы (формирующие шпильку) и полиуридиновый хвост в РНК.

Кому адресован: РНК-полимеразе, осуществляющей транскрипцию

Предназначение - как должен реагировать адресат: Прекратить транскрипцию - РНК-полимераза должна диссоциировать с ДНК и отпустить новосинтезированную РНК

Сила сигнала: Сигнал достаточно силён, чтобы индуцировать терминацию без участия дополнительных белков, однако его эффективность зависит от стабильности шпильки и длины U-хвоста. Можно гипотетически утверждать, что мутации в этих зонах могут ослабить сигнал. Высокая эффективность (до 90% терминации в модельных системах)

Примеры сигнала: 1) Терминатор в гене trp (E. coli); 2) Терминатор в гене rrnB (E. coli), кодирующем рРНК

Список источников:

Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K., & Walter, P. (2014). Molecular Biology of the Cell (6th ed.). Garland Science.
Lodish, H., Berk, A., Kaiser, C. A., Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., & Amon, A. (2016). Molecular Cell Biology (8th ed.). W. H. Freeman.
Watson, J. D., Baker, T. A., Bell, S. P., Gann, A., Levine, M., & Losick, R. (2013). Molecular Biology of the Gene (7th ed.). Pearson.
Gusarov, I., & Nudler, E. (1999). The mechanism of intrinsic transcription termination. Molecular Cell, 3(4), 495–504.
Roberts, J. W. (2019). Mechanisms of Bacterial Transcription Termination. Journal of Molecular Biology, 431(20), 4030–4039.

Сервис для поиска сигнала

Я нашла несколько сервисов для поиска Rho-независимого сигнала, из них я решила проверить работу сервиса ARNold, так как у этого сервиса в отличие от остальных есть веб-версия и удобный интерфейс.

ARNold - это специализированная программа для выявления Rho-независимых терминаторов транскрипции в нуклеиновых последовательностях. В своей работе она использует два взаимодополняющих вычислительных подхода:

1. Метод Erpin

Основан на машинном обучении с учителем:

Обучающая выборка включает структурно аннотированное выравнивание 1200 последовательностей терминаторов из Bacillus subtilis и Escherichia coli
Строит log-odds профиль (лог-правдоподобия) на основе этого выравнивания
Сканирует пользовательскую последовательность для выявления участков с высокими показателями соответствия профилю
Особенно эффективен для распознавания консервативных терминаторных мотивов

2. Метод RNAmotif

Использует структурный дескриптор:

Элемент	Характеристики
Ствол шпильки	4-18 пар оснований
Спейсер	0-2 нуклеотида
T-богатый регион	12 нуклеотидов (в ДНК; в РНК - U-богатый)

Критерии оценки:

Нуклеотидный состав T-богатого региона
Термодинамическая стабильность шпильки

Унифицированная система оценки

Для сопоставимости результатов обоих методов:

RNAfold: рассчитывает свободную энергию (ΔG) предсказанной шпильки
Значение ΔG:
- Универсальная метрика достоверности
- Позволяет сравнивать терминаторы, найденные разными методами
- Отражает термодинамическую стабильность

Чтобы проанализировать работу данного сервиса я применила ARNold для поиска rho-независимых терминаторов в последовательности в последовательности гена rrnB (рибосомный РНК-оперон) Escherichia coli K-12. Чтобы это сделать я вставила последовательность в формате fasta в поле "insert sequence data" и нажала кнопку "Run", выбрав параметр search strand - forward, так как ген rrnB транскрибируется в прямом направлении.

Файл с последовательностью гена

Программа ARNold обнаружила 3 потенциальных Rho-независимых терминатора в опероне rrnB. Их характеристики представлены в таблице:

Позиция	Последовательность терминатора (5'→3')	ΔG (ккал/моль)
4950	CGACGGTTGTCCCGGTTTAGCGTGTAGGCTGGTTTCCAGGCAA	-7.60
6619	ATAAAACGAAGGCTCAGTCGAAGACTGGGCCTTTCGTTTTATC	-12.50
6787	ATTAAGCAGAAGGCCATCCTGACGGATGGCCTTTTTGCGTTTC	-15.70