All issues

Репрессилятором называют первую в синтетической биологии генную регуляторную сеть, искусственно сконструированную в 2000 году. Он представляет собой замкнутую цепь из трех генетических элементов — $lacI$, $\lambda cI$ и $tetR$, — которые имеют естественное происхождение, но в такой комбинации в природе не встречаются. Промотор каждого гена контролирует следующий за ним цистрон по принципу отрицательной обратной связи, подавляя экспрессию соседнего гена. В данной работе впервые рассматривается нелинейная динамика модифицированного репрессилятора, у которого имеются запаздывания по времени во всех звеньях регуляторной цепи. Запаздывание может быть как естественным, т. е. возникать во время транскрипции/трансляции генов в силу многоступенчатого характера этих процессов, так и искусственным, т. е. специально вноситься в работу регуляторной сети с помощью методов синтетической биологии. Предполагается, что регуляция осуществляется протеинами в димерной форме. Рассмотренный репрессилятор имеет еще две важные модификации: расположение на той же плазмиде гена $gfp$, кодирующего флуоресцентный белок, а также наличие в системе накопителя для белка, кодируемого геном $tetR$. В рамках детерминистского описания методом разложения на быстрые и медленные движения получена система нелинейных дифференциальных уравнений с запаздыванием на медленном многообразии. Показано, что при определенных значениях управляющих параметров единственное состояние равновесия теряет устойчивость колебательным образом. Для симметричного репрессилятора, у которого все три гена идентичны, получено аналитическое решение для нейтральной кривой бифуркации Андронова–Хопфа. Для общего случая асимметричного репрессилятора нейтральные кривые построены численно. Показано, что асимметричный репрессилятор является более устойчивым, так как система ориентируется на поведение наиболее стабильного элемента в цепи. Изучены нелинейные динамические режимы, возникающие в репрессиляторе при увеличении надкритических значений управляющих параметров. Кроме предельного цикла, отвечающего поочередным релаксационным пульсациям белковых концентраций элементов, в системе обнаружено существование медленного многообразия, не связанного с этим циклом. Долгоживущий переходный режим, который отвечает многообразию, отражает процесс длительной синхронизации пульсаций в работе отдельных генов. Производится сравнение полученных результатов с известными из литературы экспериментальными данными. Обсуждается место предложенной в работе модели среди других теоретических моделей репрессилятора.

The repressor is the first genetic regulatory network in synthetic biology, which was artificially constructed in 2000. It is a closed network of three genetic elements — $lacI$, $\lambda cI$ and $tetR$, — which have a natural origin, but are not found in nature in such a combination. The promoter of each of the three genes controls the next cistron via the negative feedback, suppressing the expression of the neighboring gene. In this paper, the nonlinear dynamics of a modified repressilator, which has time delays in all parts of the regulatory network, has been studied for the first time. Delay can be both natural, i.e. arises during the transcription/translation of genes due to the multistage nature of these processes, and artificial, i.e. specially to be introduced into the work of the regulatory network using synthetic biology technologies. It is assumed that the regulation is carried out by proteins being in a dimeric form. The considered repressilator has two more important modifications: the location on the same plasmid of the gene $gfp$, which codes for the fluorescent protein, and also the presence in the system of a DNA sponge. In the paper, the nonlinear dynamics has been considered within the framework of the deterministic description. By applying the method of decomposition into fast and slow motions, the set of nonlinear differential equations with delay on a slow manifold has been obtained. It is shown that there exists a single equilibrium state which loses its stability in an oscillatory manner at certain values of the control parameters. For a symmetric repressilator, in which all three genes are identical, an analytical solution for the neutral Andronov–Hopf bifurcation curve has been obtained. For the general case of an asymmetric repressilator, neutral curves are found numerically. It is shown that the asymmetric repressor generally is more stable, since the system is oriented to the behavior of the most stable element in the network. Nonlinear dynamic regimes arising in a repressilator with increase of the parameters are studied in detail. It was found that there exists a limit cycle corresponding to relaxation oscillations of protein concentrations. In addition to the limit cycle, we found the slow manifold not associated with above cycle. This is the long-lived transitional regime, which reflects the process of long-term synchronization of pulsations in the work of individual genes. The obtained results are compared with the experimental data known from the literature. The place of the model proposed in the present work among other theoretical models of the repressilator is discussed.

В данной работе нами представлена база данных, спроектированная для хранения профилей физических свойств вдоль двойной спирали ДНК, и продемонстрировано ее использование для хранения, поиска и анализа промоторных последовательностей E. coli. Отличительным свойством предложенной базы данных является то, что весь профиль хранится как единый объект, который с точки зрения СУБД полностью подобен строке или числу. Такие объекты СУБД может сравнивать друг с другом и осуществлять быструю выборку на основании индексов. В базу данных загружена информация о 1227 известных промоторах. Для каждого промотора сохранена нуклеотидная последовательность, а также вычислен и загружен в базу профиль электростатического потенциала промоторной ДНК. Кроме того, каждый промотор связан с генами, транскипцию которых он регулирует, а также с записями о сайтах посадки транскрипционных факторов, влияющих на функционирование промотора. Организован доступ к базе данных через интернет; исходные коды доступны для скачивания, а содержимое базы данных может быть выслано авторами по запросу.

Database to store, search and retrieve DNA physical properties profiles has been developed and its use for analysis of E. coli promoters has been demonstrated. Unique feature of the database is in its ability to handle whole profile as single internal object type in a way similar to integers or character strings. To demonstrate utility of such database it was populated with data of 1227 known promoters, their nucleotide sequence, profile of electrostatic potential, transcription factor binding sites. Each promoter is also connected to all genes, whose transcription is controlled by that promoter. Content of the database is available for search via web interface. Source code of profile datatype and library to work with it from R/Bioconductor are available from the internet, dump of the database is available from authors by request.

Репрессилятором называют первую в синтетической биологии генную регуляторную сеть, искусственно сконструированную в 2000 году. Он представляет собой замкнутую малоразмерную цепь из трех генов: $lacI$, $\lambda cI$ и $tetR$, которые в такой комбинации в природе не встречаются. Промотор каждого гена контролирует следующий за ним цистрон по принципу отрицательной обратной связи, подавляя экспрессию соседнего гена. Ранее в работе [Брацун и др., 2018] была предложена математическая модель запаздывающего репрессилятора и изучены ее свойства в рамках детерминистского описания. Предполагается, что запаздывание может быть как естественным, т. е. возникать во время процессов транскрипции/трансляции в силу многоступенчатого характера этих процессов, так и искусственным, т. е. специально вноситься в работу регуляторной сети с помощью методов генной инженерии. Данная работа посвящена стохастическому описанию динамических процессов в запаздывающем репрессиляторе, которое является важным дополнением детерминистского анализа из-за сильных флуктуаций и небольшого числа молекул, принимающих обычно участие в генной регуляции. Стохастическое исследование было проведено численно с помощью алгоритма Гиллеспи, модифицированного для систем с запаздыванием. Приводятся описание алгоритма, его программная реализация и результаты тестовых расчетов для одногенного авторепрессора с запаздыванием. При исследовании репрессилятора обнаружено, что стохастическое описание в ряде случаев дает новую информацию о поведении системы, которая не сводится к детерминистской динамике даже при усреднении по большому числу реализаций. В подкритической области, где детерминистский анализ предсказывает абсолютную устойчивость системы, было обнаружено возбуждение квазирегулярных колебаний, вызываемых нелинейным взаимодействием шума и запаздывания. Выше порога возникновения неустойчивости обнаружено спонтанное изменение фазы колебаний из-за внезапной временной деградации этих колебаний. Ранее в детерминистском анализе был обнаружен долгоживущий переходный режим, который отвечает движению фазовой траектории по медленному многообразию и отражает процесс длительной синхронизации пульсаций в работе отдельных генов. Показано, что в стохастическом случае переход к кооперативному режиму работы генов репрессилятора происходит в среднем на два порядка быстрее. Построено распределение вероятности соскока фазовой траектории с медленного многообразия и определено наиболее вероятное время такого перехода. Обсуждается влияние внутреннего шума химических реакций на динамические свойства репрессилятора.

The repressilator is the first genetic regulatory network in synthetic biology, which was artificially constructed in 2000. It is a closed network of three genetic elements $lacI$, $\lambda cI$ and $tetR$, which have a natural origin, but are not found in nature in such a combination. The promoter of each of the three genes controls the next cistron via the negative feedback, suppressing the expression of the neighboring gene. In our previous paper [Bratsun et al., 2018], we proposed a mathematical model of a delayed repressillator and studied its properties within the framework of a deterministic description. We assume that delay can be both natural, i.e. arises during the transcription / translation of genes due to the multistage nature of these processes, and artificial, i.e. specially to be introduced into the work of the regulatory network using gene engineering technologies. In this work, we apply the stochastic description of dynamic processes in a delayed repressilator, which is an important addition to deterministic analysis due to the small number of molecules involved in gene regulation. The stochastic study is carried out numerically using the Gillespie algorithm, which is modified for time delay systems. We present the description of the algorithm, its software implementation, and the results of benchmark simulations for a onegene delayed autorepressor. When studying the behavior of a repressilator, we show that a stochastic description in a number of cases gives new information about the behavior of a system, which does not reduce to deterministic dynamics even when averaged over a large number of realizations. We show that in the subcritical range of parameters, where deterministic analysis predicts the absolute stability of the system, quasi-regular oscillations may be excited due to the nonlinear interaction of noise and delay. Earlier, we have discovered within the framework of the deterministic description, that there exists a long-lived transient regime, which is represented in the phase space by a slow manifold. This mode reflects the process of long-term synchronization of protein pulsations in the work of the repressilator genes. In this work, we show that the transition to the cooperative mode of gene operation occurs a two order of magnitude faster, when the effect of the intrinsic noise is taken into account. We have obtained the probability distribution of moment when the phase trajectory leaves the slow manifold and have determined the most probable time for such a transition. The influence of the intrinsic noise of chemical reactions on the dynamic properties of the repressilator is discussed.

Для функционирования регуляторных областей ДНК решающее значение имеет не нуклеотидная последовательность (генетический текст), а их физико-химические и структурные свойства. Именно они обеспечивают кодирование ДНК-белковых взаимодействий, лежащих в основе различных процессов регуляции. Среди таких свойств SIDD (Stress-Induced Duplex Destabilization) — характеристика, описывающая склонность участка дуплекса ДНК к плавлению при заданном уровне суперспирализации. Ранее для данного параметра дуплекса показана роль в функционировании областей регуляции различного типа. В данной работе модель SIDD использована для получения профилей вероятности плавления последовательностей промоторов бактериофага T7. Данный геном характеризуется малым размером (примерно 40 тыс. пар нуклеотидов) и временной организацией экспрессии генов: на первом этапе инфекции ранняя область Т7-ДНК транскрибируется РНК-полимеразой бактерии-хозяина, на более поздних этапах жизненного цикла фагоспецифичная РНК-полимераза последовательно производит транскрипцию областей генов II класса и III класса. При этом механизмы дифференциального узнавания промоторов разных групп ферментом-полимеразой не могут быть основаны исключительно на их нуклеотидной последовательности, в частности в связи с тем, что она очень близка для большинства таких промоторов. В то же время полученные профили SIDD данных промоторов сильно различаются и могут быть разделены на характерные группы, соответствующие функциональным классам промоторов Т7-ДНК. Так, все промоторы ранней области находятся в области влияния одного максимально дестабилизированного участка дуплекса ДНК, соответствующего различным областям конкретных промоторов. Промоторы класса II лишены значительно дестабилизированных областей вблизи точки старта транскрипции. Напротив, промоторы III класса имеют характерные пики профилей вероятности плавления, в каждом случае локализованные в ближней downstream-области. Таким образом, установлены значительные различия профилей для промоторных областей при очень близкой нуклеотидной последовательности (промоторы II и III классов отличаются единичными заменами нуклеотидов), что подтверждает высокую чувствительность рассматриваемого свойства дуплекса к первичной структуре, а также необходимость рассмотрения широкого генетического контекста. Описанные различия профилей вероятности плавления на основе модели SIDD наряду с другими физическими свойствами могут определять дифференциальное узнавание промоторов разных классов РНК-полимеразами.

The functioning of DNA regulatory regions rely primarily on their physicochemical and structural properties but not on nucleotide sequences, i.e. ‘genetic text’. The formers are responsible for coding of DNA-protein interactions that govern various regulatory events. One of the characteristics is SIDD (Stress-Induced Duplex Destabilization) that quantify DNA duplex region propensity to melt under the imposed superhelical stress. The duplex property has been shown to participate in activity of various regulatory regions. Here we employ the SIDD model to calculate melting probability profiles for T7 bacteriophage promoter sequences. The genome is characterized by small size (approximately 40 thousand nucleotides) and temporal organization of expression: at the first stage of infection early T7 DNA region is transcribed by the host cell RNA polymerase, later on in life cycle phage-specific RNA polymerase performs transcription of class II and class III genes regions. Differential recognition of a particular group of promoters by the enzyme cannot be solely explained by their nucleotide sequences, because of, among other reasons, it is fairly similar among most the promoters. At the same time SIDD profiles obtained vary significantly and are clearly separated into groups corresponding to functional promoter classes of T7 DNA. For example, early promoters are affected by the same maximally destabilized DNA duplex region located at the varying region of a particular promoter. class II promoters lack substantially destabilized regions close to transcription start sites. Class III promoters, in contrast, demonstrate characteristic melting probability maxima located in the near-downstream region in all cases. Therefore, the apparent differences among the promoter groups with exceptional textual similarity (class II and class III differ by only few singular substitutions) were established. This confirms the major impact of DNA primary structure on the duplex parameter as well as a need for a broad genetic context consideration. The differences in melting probability profiles obtained using SIDD model alongside with other DNA physicochemical properties appears to be involved in differential promoter recognition by RNA polymerases.

В рамках данной работыбы ла продемонстрирована возможность использования характеристик профилей электростатического потенциала вдоль последовательностей ДНК для определения их функционального класса. Построенымо дели, позволяющие разделять промоторные и непромоторные последовательности (случайные бернуллиевские, кодирующие и псевдопромоторы) с точностью порядка 83–85%. Определены наиболее значимые участки для такого разделения, по-видимому играющие важную роль при ДНК-полимеразном узнавании.

The article is devoted to the idea of using physical properties of DNA instead of sequence along for the aspect of accurate search and annotation of various prokaryotic genomic regions. Particulary, the possibility to use electrostatic potential distribution around DNA sequence as a classifier for identification of a few functional DNA regions was demonstrated. A number of classification models was built providing discrimination of promoters and non-promoter regions (random sequences, coding regions and promoter-like sequences) with accuracy value about 83–85%. The most valueable regions for the discrimination were determined and expected to play a certain role in the process of DNA-recognition by RNA-polymerase.