Bioinformatische Modellierung der Genregulation
Die Transkription ermöglicht die Synthese von funktionellen Genprodukten und bietet einen Kontrollpunkt in diesem Prozess. Bei Bakterien wird die Transkription durch das Enzym RNA-Polymerase (RNAP) ausgeführt, das durch einen Sigma-Faktor an Promotoren bindet und die Transkription an Transkriptionsstartstellen (TSS) initiiert. Die genaue Kenntnis von TSS ist der erste notwendige Schritt zum Verständnis der Transkription und ihrer Steuerung. Allerdings sind die bioinformatischen Methoden zur TSS-Erkennung aufgrund einer hohen Anzahl an falschpositiven Ergebnissen sehr ungenau. Das Projekt PROMOTER PREDICTIONS (Bioinformatic analysis of transcription regulation: a modelling approach) reduziert die falschpositiven Ergebnisse erheblich um etwa 50% durch eine systematische Analyse von Sigma-70-Promotorelemente in Escherichia coli (E. coli). Die Forscher verwendeten ein neues Mix-and-Match-Modell für die Erkennung des Promotors und quantifizierten die Spezifität von RNAP für Sigma-70-Promotorelemente über die entsprechenden Gewichtsmatrizen. Diese Gewichtsmatrizen halfen, ausgerichtete Promotorelemente mit ausreichender Transkriptionsaktivität zu erzeugen, und identifizierten starke Promotoren in einem neu sequenzierten Bakteriophagengenom mit hoher Genauigkeit. Um die Gründe für die übrigen falschpositiven Ergebnisse zu verstehen, analysierten die Forscher rechnerisch die Kinetik der Transkriptionsinitiation durch RNAP in dem E. coli-Genom. Sie fanden heraus, dass eine Reihe von Promotoren in dem Genom existiert, aber nicht zu einer funktionellen Transkription führen, weil die beiden DNA-Stränge sich nur langsam öffnen. Die Entwicklung eines neuen Verfahrens zum Nachweis von direkten Zielgenen eines gegebenen Regulators führte zu einer höheren Vorhersagegenauigkeit. Um ein besseres Verständnis der Regelkreise der Transkription bei Bakterien gewinnen, modellierten die Forscher die Transkriptverarbeitung von gruppierten, regelmäßig beabstandeten, kurzen palindomischen Wiederholungen (CRISPR) innerhalb des bakteriellen CRISPR/Cas-Immunsystems. Die Transkript-Verarbeitung ist ein entscheidender Schritt bei der Steuerung der Expression von kleinen RNA-Molekülen, die eindringende Viren erkennen. Die Forschungsergebnisse trugen zur Entwicklung einer neuartigen synthetischen Genschaltung für die groß angelegte Produktion nützlicher Moleküle aus kleinen Substratkonzentrationen bei. Die Forschungsergebnisse von PROMOTER PREDICTIONS wurden in neun begutachteten Zeitschriften veröffentlicht und auf einer regionalen und drei internationalen Konferenzen präsentiert. Die Projektanalyse verbesserte das Verständnis der Transkriptionsinitiation und die Genauigkeit der TSS-Erkennung erheblich. Die entwickelten Methoden könnten auch in anderen Forschungsbereichen, wie beispielsweise bei Infektionskrankheiten, angewendet werden.
Schlüsselbegriffe
bioinformatischen Modellierung, Transkriptionsregulation, Transkriptionsstartstelle, Escherichia coli, CRISPR/Cas
