Redes de regulación

Redes de regulación
Guillermo Carbajosa
Resumen
• Introducción a la transcripción y su
regulación
• Redes de regulación: Definición
• Encontrando Sitios de Unión:
• Conocidos (Pattern Matching)
• Nuevos (Pattern Discovering)
Resumen II
• Propiedades de las redes de regulación
• Propiedades generales
• Motivos
• Evolución
• Dinámica
Regulación de la
transcripción
•
•
Resultado de la interacción entre proteínas y DNA
El conjunto de proteínas que se unan a su región
promotora (directa o indirectamente) va a
determinar la expresión de un gen:
•
•
•
En que tejidos
En que fase del desarrollo
Bajo que condiciones ambientales
Transcripción en
bacterias
Transcripción en
bacterias: Operones
Transcripción en
Eucariotas
Otras fuentes de
regulación
• Elongación
• Estabilidad del ARNm
• Micro ARN
• etc...
Redes de regulación
Redes de regulación II
Definiendo redes de
regulación
Lee at al. 2002 Science 298:799-804
Computacionalmente
•
Sitios de unión al ADN conocidos: “Pattern Matching”
•
•
“¿Qué genes regula un factor de transcripción?”
Si sabemos la secuencia a la que se une un factor de
transcripción, ¿podemos encontrar donde se une en un
genoma?
Sitios de unión al ADN desconocidos: “Pattern
Discovering”
•
“¿Qué sitios de unión regulan un conjunto de genes?”
Si sabemos que un conjunto de genes está co-regulado,
¿podemos encontrar los sitios de unión al ADN responsables
de su regulación?
Buscando sitios
conocidos
• Descripción de un sitio de unión
• Secuencias consenso
• Patrones
• Matrices
Secuencias consenso
Sitios
determinados
Experimantalmente
Secuencia Consenso
ATCGTGCTATAGGTAAGT
ATCGTGGTATACGTAAGT
ATCGTGCTTTAGGTAAGA
ATCCTGCTATTGCTAAGT
ATCGTGCTATAGGTAAGT
Secuencias consenso II
ACGTA
CGACGTAGATGACCTACGGATGCACGAACG
CGACGTAGATGACCTACGGATGCACGAACG
CGACGTAGATGACCTACGGATGCACGAACG
CGACGTAGATGACCTACGGATGCACGAACG
Patrones
ATCGTGCTATAGGTAAGT
ATCGAGGTATAGGTAAGT
ATGGGGCTACAGGTAAGA
ATGGCGCTATTGGTAAGT
AT[CG][ACGT]G[CG]TA[CT][AT]GGTAAG[AT]
ATSGNGSTAYWGGTAAGW
W=
R=
K=
S=
Y=
M=
A
A
G
C
C
A
or
or
or
or
or
or
T
G
T
G
T
C
Matrices
A
C
G
T
A
A
A
A
T
T
T
T
C
C
C
C
G
G
G
C
T
T
T
T
G
G
G
G
C
G
C
C
T
T
T
T
A
A
T
A
T
T
T
T
A
A
A
T
G
C
G
G
G
G
G
C
T
T
T
T
A
A
A
A
A
A
A
A
G
G
G
G
T
T
A
T
4
0
0
0
0
0
0
4
0
4
0
0
0
1
3
0
0
0
0
4
0
0
4
0
0
3
1
0
0
0
0
4
3
0
0
1
0
0
0
4
3
0
0
1
0
1
3
0
0
1
3
0
0
0
0
4
4
0
0
0
4
0
0
0
0
0
4
0
1
0
0
3
A T G G C T C G A T T G G T A T G T
4+4+0+3+0+4+3+0+3+4+1+3+3+4+4+0+4+3=47
T A G C C A G T T T A T T A G C G T
0+0+0+1+0+0+3+4+1+4+3+0+0+0+0+0+4+3=23
Logos
•
Representación gráfica
de un alineamiento
•
La altura de cada base es
proporcional a su
frecuencia
•
La altura de cada
posición es proporcional
a su conservación
(medido en bits de
información)
✴http://weblogo.berkeley.edu/logo.cgi
Sitios especiales
•
•
Promotores
•
•
http://www.fruitfly.org/seq_tools/promoter.html
•
http://www.cbs.dtu.dk/services/Promoter/
http://www.softberry.com/berry.phtml?
topic=bprom&group=programs&subgroup=gfindb
Terminadores
•
http://www.softberry.com/berry.phtml?
topic=findterm&group=programs&subgroup=gfindb
•
http://cbcb.umd.edu/software/transterm/
Bases de datos
•
Factores de transcripción, sitios de unión y sus
matrices en eucariotas
•
Bases de datos y programas relacionados
•
PathoDB: una base de datos de formas mutadas relevantes de
factores de transcripción y sitios de unión
•
S/Mart: información sobre las regiones unidas al anclaje y la matriz
nuclear y las proteínas de la matriz nuclear
•
Transcompel: una base de datos de elementos regulatorios complejos
que afectan a la transcripción en eucariotas
✴http://www.gene-regulation.com/
RegulonDB
• Factores de transcripción, sus sitios de
unión y sus operones en E. coli
• Herramientas de visualización y análisis
• Integrado en Ecocyc (www.ecocyc.org)
✴http://www.cifn.unam.mx/Computational_Genomics/regulondb/
Otras bases de datos
• TRED: Humanos y ratón
• CEPDB: C. elegans
• SCPD: Levaduras
• Promotores, sitios de unión, matrices,
etc...
✴http://rulai.cshl.edu/software/index1.htm
Encontrando sitios
• Se necesita un conjunto de genes que se
cree/sabe que está co-regulado
• Se toman las regiones promotoras
• Se buscan posibles regiones reguladoras
Genes co-regulados
• Perfiles transcripcionales (microarrays)
• Otro tipo de asociaciones:
• Rutas metabólicas
• Misma clasificación funcional
• Genes ortólogos (“huella filogenética”)
Microarrays
1. Cada experimento compara 2 condiciones
2. Se necesitan varios experimentos
3. Para cada gen se obtiene un perfil
4. Los perfiles se comparan
5. Los genes se agrupan en función de sus perfiles
Huella filogenética
•
•
Se obtienen grupos de genes ortólogos
•
•
Organismos distantes: no hay conservación
Se asume que la regulación esta conservada, al
igual que los sitios de unión
Organismos cercanos: las secuencias no
funcionales no han divergido aún
Métodos
•
Motivos sobre-representados
•
•
•
•
Computacionalmente caro
Exhaustivo
Ruidoso
Basado en matrices
•
Rápido
•
•
Consensus, MAME
Gibbs sampling
•
•
no exhaustivo, pueden obtenerse resultados distintos cada vez
Filtrado por simetría
Motivos Sobrerepresentados
1.
Calcular la frecuencia de cada palabra de longitud n-bases en nuestras
secuencias
2.
Determinar aquellas que son significativamente más abundantes en
nuestro grupo que en otros grupos
Secuencia
Esperado
Observado
AAAAA
2
3
AAAAC
3
2
AAAAG
5
3
ATGCA
13
17
ATGCC
15
143
ATGCG
17
14
2
0
...
...
TTTGC
Gibbs Sampling
1. Selecciona al
azar
ACGTAGGTTC
ACGTAGCAGT
ACGGATGCGA
ACGTAGCGTA
2. Eliminar la peor del
alineamiento
ACGTAGGTTC
ACGTAGCAGT
ACGGATGCGA
ACGTAGCGTA
3. Sustituir por la mejor
en la misma secuencia
ACGTAGGATC
ACGTAGCAGT
ACGGATGCGA
ACGTAGCGTA
Repetir hasta que se
estabiliza la calidad del
alineamiento
ACGTAGGATC
ACGTAGCAGT
ACGGATGCGA
ACGTAGCGTA
Agrupando sitios
• Motivos que solapan
• Motivos que se parecen
AAGTCGGC
AGTCGGCT
GTCGGCTT
-----------AAGTCGGCTT
AGTCGGCA
AGTCGGCT
TGTCGGCT
-----------AGTCGGCT
Flujo de trabajo
Pattern Discovery
Pattern Matching
Motive Clustering
Propiedades de la red
de regulación
Propiedades Generales
•
Distribución
exponencial
•
Distribución “Ley
de potencias”
•
•
•
“Libre de escala”
Robustez
Caminos cortos
(integración de
señal)
Evolución de las redes
Duplicación y Evolución
Duplicación de TFBS
Red de Co-regulación
•
•
•
•
gamma =~1
c=0.6
“libre de escala”
“mundo pequeño”
Simulando la evolución
Simulando la evolución
II
•
En ausencia de selección
pueden aparecer redes
de propiedades similares
a las reales
Motivos
Motivos II
•
Algunas
topologías
(motivos)
aparecen con
mucha
frecuencia
Milo et al, 2002. Science 298:824
Motivos específicos
Evolución de motivos
No: En E coli no hay reguladores homólogos con el
mismo motivo
Evolución de motivos II
Conant & Wagner,2003. Nat Genet. 34:264
Propiedades de los
motivos
Shen-Orr et al,2002. Nat Genet. 31:64
Circuitos
Tyler et al. 2003 Current Opinion in Cell Biology 15:221
Las redes son dinámicas
Luscombe et al., 2004 Nature 431:308
Las redes son dinámicas
II
Luscombe et al., 2004 Nature 431:308
¡Gracias por vuestra
atención! (y a Ildefonso
Cases por la
presentación)
¿Preguntas?
Prácticas:
• http://rsat.scmbb.ulb.ac.be/rsat/
•
Misc>Tutorials
•
•
1. Sequence retrieval
3. Pattern matching
•
•
3.2. Patser
4. Pattern discovering
•
•
4.1.1. Oligo analysis
4.2.1. Gibbs Motif Sampler