Знание-сила, 2006 № 08 (950)

Заполнение пробелов основано на ряде наблюдений, сделанных после начала массового секвенирования геномов. Гены, кодирующие связанные функции, часто располагаются в бактериальных геномах рядом друг с другом. Такими функциями могут быть соседние реакции из одного пути, транспорт веществ-предшественников, регуляция транскрипции генов изданного пути и т.п. Конечно, то, что гены, кодирующие ферменты из одного пути, могут образовывать опероны (последовательные группы совместно транскрибируемых генов), было известно уже давно, однако только сравнение многих геномов позволило реализовать это общее наблюдение в алгоритмах, дающих количественную оценку потенциальной функциональной связи для каждой пары генов. Аналогично, существуют алгоритмы функциональной аннотации, основанные на том, что функционально связанные гены встречаются в геномах не независимо, а целой группой. Опять же, этому есть естественное биологическое объяснение: конкретная биохимическая реакция существенна для клетки не сама по себе, а лишь в контексте целого метаболического пути, и потому в геномах не встречаются гены, отвечающие за изолированные реакции, — продукты таких генов не нужны организму, ему их просто "некуда девать".

В качестве примера рассмотрим работу, в которой приемы сравнительной геномики позволили описать новые аспекты хорошо изученной системы гомеостаза цинка, ионы которого входят в состав многих необходимых для жизни клетки ферментов.

При сравнительном анализе геномов бактерий было обнаружено, что во многих бактериальных геномах имеются гены, кодирующие белки, гомологичные белкам рибосомы. Более того, оказалось, что в таких случаях основной белок имеет последовательность аминокислот, характерную для цинк-связывающих белков — так называемый "мотив цинковой ленты", а в дополнительных гомологичных белках этот мотив разрушен.

Встал вопрос: зачем нужны эти дополнительные белки, что они делают?

Так выглядит бактерия Escherichia coti —известная всем кишечная палочка

При более подробном анализе с использованием совершенно других приемов удалось установить, что гены, кодирующие эти дополнительные белки, имеют сайты связывания для белков — репрессоров транскрипции, работа которых зависит от наличия ионов цинка. Если цинка в клетке достаточно, репрессор связывается с таким сайтом и подавляет работу гена — дополнительные белки не производятся. Они синтезируются лишь при недостатке ионов цинка, после чего включаются в состав рибосом, вытесняя из них основные белки. Возможно, рибосома начинает работать несколько хуже, зато для ее работы уже не нужны ионы цинка. Это очень важный регуляторный механизм. Рибосом и рибосомных белков в клетке очень много — по крайней мере, на два порядка больше, чем молекул любого фермента. Между тем для работы многих клеточных ферментов цинк тоже абсолютно необходим, и без этого механизма им ионов цинка просто "не достанется" — в случае его нехватки все уйдет в рибосомы.

Мы видим, что методы сравнительной геномики позволяют не только описать метаболические возможности бактерии, такие, как способность расти на тех или иных субстратах, синтезировать иди импортировать необходимые вещества, и т.п., но и осуществить детальную метаболическую реконструкцию, описав гены, отвечающие за эти функции. Анализ же регуляторных сигналов дает возможность не только предсказывать, что может делать бактерия, но и в каких условиях она это делает.

При работе е хорошо исследованными организмами, такими, как кишечная палочка, можно продвинуться еще дальше. Если нам известны все реакции основного метаболизма, мы можем построить вычислительную модель, предсказывающую даже интенсивность каждой реакции, происходящей в клетке. При этом мы предполагаем, что интенсивности реакций оптимизированы за счет регуляторных механизмов таким образом, чтобы максимизировать скорость роста бактерии.

Такие модели позволяют делать нетривиальные предсказания. Так, при сравнении с экспериментальными данными было замечено, что, хотя интенсивности реакций в клетках дикого типа, у которых "ничего не испорчено", предсказываются хорошо, предсказанные интенсивности в мутантах далеки от измеренных. То есть бактерия дикого типа действительно растет самым быстрым возможным для себя способом, а мутант — нет. Оказалось, что мутант растет не вообще самым быстрым способом, а самым быстрым из возможных при небольшом отклонении от параметров, характерных для дикого типа. В данном случае следует искать не глобальный оптимум, а ближайший к оптимуму для дикого типа локальный