Биоинформатичка анализа механизама транскрипционе иницијације код бактеријских ECF [sigma] фактора

Abstract

Алтернативни σ фактори су неопходни за преживљавање бактеријске ћелије у стресним условима, као и за пролазак кроз стадијуме морфолошке диференцијације. Међу њима, ECF σ фактори представљају најбројнију, најразноврснију, али и најмање изучену групу за коју се сматра да препознаје ригидне, добро конзервиране промоторе. Насупрот овоме, механизам ''mix-and-match'' у групи примарних σ фактора (са еквивалентном промоторском структуром) подразумева флексибилно препознавање промотора, чији се елементи међусобно надопуњују. Будући да је тренутна парадигма о функционисању ECF σ фактора резултат малог броја изучених чланова, главни циљ тезе је опсежна биоинформатичка анализа доступних ECF σ фактора. Комбиновањем биоинформатичких метода са биофизички-заснованом анализом, екстензивно су проучавани (квалитативни и квантитативни) аспекти флексибилности у препознавању ECF промотора. Анализа фагних ECF σ фактора довела је до нове процедуре за предвиђање фагних промотора, као и до првих (квалитативних) примера механизма ''mix-and-match'' у групи ECF. Анализа бактеријских ECF представника довела је до препознавања ''неканонских'' интеракција са промоторским секвенцама, у којима учествују конзервирани елементи у спејсеру, као и протеински мотиви изван домена за интеракцију са ДНК (σ2 and σ4). Коначно, установљено је значајно функционално надопуњавање промоторских елемената у групи ECF (''mix-and-match'') које је, супротно очекивањима, јаче него у промоторима примарних σ фактора (и упућује на другачији кинетички профил транскрипционе иницијације). Будући да су ECF најразличитији од примарних σ фактора у оквиру σ70 групе, добијени резултати указују да је ''mix-and-match'' вероватно заједнички механизам препознавања промотора у целокупној σ70 фамилији.

Alternative σ factors are indispensible in bacterial cell for coping with stress or development. ECFs are the most numerous and diverse, but the least studied group of alternative σ factors, which are assumed to interact with rigid, well conserved promoters. On the contrary, ''mix-andmatch'' mechanism of housekeeping σ factors (with equivalent promoter organization), implies flexibility in promoter recognition, where elements complement each other strengths. Since the current ECF paradigm is supported by limited information on few (canonical) representatives, our goal was to validate it through a comprehensive computational analysis of all available ECF σs. By combining bioinformatics methods with biophysics-based analysis, we extensively studied (qualitative and quantitative) aspects of flexibility in ECF promoter recognition. Analysis of phage outliers gave a novel procedure for detecting phage-specific promoters, and also the first (qualitative) example of mix-and-matching in ECF group. We also found examples of ''noncanonical'' interactions between ECFs and their promoters, exhibited by the conserved promoter spacer elements and the σ-motifs outside of the main σ2 and σ4 DNA-binding domains. Finally, we provided quantitative evidence of substantial promoter element complementation (mix-andmatching) in ECFs, which is unexpectedly much stronger (and points to a different kinetic profile of the initiation process) than in housekeeping promoters. As ECFs and housekeeping σ factors are the most divergent σ70 groups, this implies that ''mix-and-match'' may function as a common promoter recognition mechanism in the entire σ70 family