RegulonDB

Η RegulonDB είναι μια σχεσιακή βάση δεδομένων (relational database) που ενσωματώνει βιολογική γνώση από μηχανισμούς που εμπλέκονται στη μεταγραφική ρύθμιση καθώς και γνώση σχετικά με την οργάνωση των γονιδίων σε οπερόνια στο επίπεδο του χρωμοσώματος, στον προκαρυωτικής φύσεως οργανισμό escherichia coli στέλεχος Κ-12. Το οπερόνιο είναι το βασικό δομικό στοιχείο που χρησιμοποιείται στη βάση δεδομένων RegulonDB, για την περιγραφή των στοιχείων και των ιδιοτήτων της μεταγραφικής ρύθμισης. Η συγκεκριμένη βάση δεδομένων περιγράφει ουσιαστικά τις αλληλεπιδράσεις ρυθμιστικών πρωτεϊνών με τις περιοχές πρόσδεσής τους, καθώς και την οργάνωση ρυθμιστικών χαρακτηριστικών (ρυθμιστικές περιοχές, γονίδια και υποκινητές) στα επιμέρους οπερόνια και ρεγουλόνια (operons and regulons). Ακόμα, περιέχει πληροφορίες σχετικά με τους στόχους των μικρών RNAs (sRNAs). Στη συγκεκριμένη βάση, ως οπερόνιο ορίζεται μια πολυκιστρονική μεταγραφική μονάδα με τις συνδεόμενες σε αυτή ρυθμιστικές περιοχές, ενώ ως ρεγουλόνιο ορίζεται μια ομάδα οπερονίων που βρίσκονται υπό τον έλεγχο ενός ρυθμιστή.

 Τις περισσότερες φορές, τα ρυθμιστικά στοιχεία εντοπίζονται ανοδικά (upstream) του οπερονίου. Ωστόσο, ένας κρίσιμος αριθμός ρυθμιστικών στοιχείων εντοπίζονται εσωτερικά του υποκινητή, ορίζοντας μια διαφορετική μεταγραφική μονάδα. Μια σημαντική πτυχή που πρέπει να ληφθεί υπ’όψιν, προκειμένου να αποφευχθούν τυχόν παρερμηνείες σχετικά με το περιεχόμενο της βάσης δεδομένων είναι το γεγονός πως η τρέχουσα κατανόηση καθώς και ο χαρακτηρισμός των διαφόρων γονιδίων, οπερονίων και ρυθμιστικών μηχανισμών, ενδέχεται να μεταβάλλονται σημαντικά. Οι μηχανισμοί ρύθμισης για ορισμένα γονίδια περιγράφονται επαρκώς, ενώ σε ορισμένες άλλες περιπτώσεις τα δεδομένα γονιδιακής ρύθμισης ενδέχεται να είναι ελλιπή (περιπτώσεις μη-χαρακτηρισμένων οπερονίων και υποκινητών). Οι ορισμοί και οι συμβάσεις στα πλαίσια της συγκεκριμένης βάσης δεδομένων επηρεάζουν όχι μόνο τον τρόπο με τον οποίο περιγράφονται καλά χαρακτηρισμένα συστήματα, αλλά και τον τρόπο με τον οποίο λαμβάνεται υπ’όψιν η έλλειψη πληροφοριών για μια δεδομένη κατάσταση. http://regulondb.ccg.unam.mx/menu/using_regulondb/tutorials/project_glossary/index.jsp Σύμφωνα με τη γενετική, ως οπερόνιο (operon) ορίζεται μια λειτουργική μονάδα γονιδιακής έκφρασης και ρύθμισης των βακτηρίων, η οποία περιλαμβάνει δομικά και ρυθμιστικά γονίδια, καθώς και cis-στοιχεία ελέγχου τα οποία αναγνωρίζονται από τα προϊόντα των ρυθμιστικών γονιδίων. Τα γονίδια που συνιστούν το οπερόνιο βρίσκονται υπό τον έλεγχο ενός κοινού προαγωγέα-υποκινητή (promoter). Όλα τα γονίδια που συνιστούν ένα οπερόνιο μεταγράφονται ταυτόχρονα ως μια πολυκιστρονική ομάδα σε ένα μόριο mRNA και στη συνέχεια είτε μεταφράζονται μαζί στο κυτταρόπλασμα είτε υπόκεινται σε trans-μάτισμα προς δημιουργία μονοκιστρονικών mRNAs, τα οποία και μεταφράζονται μεμονωμένα. Έτσι λοιπόν, τα γονίδια που αποτελούν ένα οπερόνιο μπορούν είτε να εκφράζονται μαζί είτε μεμονωμένα-διαφορικά. Στην βάση δεδομένων RegulonDB, η έννοια του οπερονίου διευρύνεται προκειμένου να συμπεριληφθεί και η ύπαρξη οπερονίων με ένα και μόνο γονίδιο. Για το λόγο αυτό στη συγκεκριμένη βάση δεδομένων ένα οπερόνιο λογίζεται ένα σύνολο ενός ή περισσοτέρων γονιδίων στη σειρά, που μεταγράφονται προς την ίδια κατεύθυνση. Με δεδομένο αυτόν τον ορισμό, ένα οπερόνιο πρέπει να περιέχει έναν υποκινητή ανοδικά όλων των γονιδίων και μια ληκτική ακολουθία καθοδικά αυτών. Είναι ωστόσο σχετικά συχνή η εύρεση οπερονίων με αρκετούς υποκινητές, μερικοί εκ των οποίων βρίσκονται εσωτερικά του οπερονίου, και για το λόγο αυτό ορισμένα γονίδια μεταγράφονται ενώ άλλα όχι. Ωστόσο, σε κάθε περίπτωση στα πλαίσια της συγκεκριμένης βάσης δεδομένων ένα γονίδιο ανήκει σε ένα μόνο οπερόνιο. Η γραφική απεικόνιση ενός οπερονίου περιέχει όλα τα γονίδια των επιμέρους μεταγραφικών του μονάδων, καθώς επίσης και τα ρυθμιστικά στοιχεία που εμπλέκονται στη μεταγραφή και στη ρύθμιση αυτών των μεταγραφικών μονάδων. Ως μεταγραφική μονάδα (transcription unit), ορίζεται μια ομάδα ενός ή περισσοτέρων γονιδίων που μεταγράφονται υπό τον έλεγχο ενός υποκινητή. Η μεταγραφική μονάδα αποτελεί δηλαδή την αλληλουχία ανάμεσα στις θέσεις έναρξης και τερματισμού της μεταγραφής. Επιπρόσθετα, μια μεταγραφική μονάδα ενδέχεται επίσης να περιλαμβάνει ρυθμιστικές περιοχές πρόσδεσης πρωτεϊνών που επηρεάζουν τελικώς τον υποκινητή. Αξίζει ωστόσο να σημειωθεί πως ένα σύνθετο οπερόνιο με αρκετούς υποκινητές περιέχει ως είναι λογικό αρκετές μεταγραφικές μονάδες. Δοθέντος του ορισμού του οπερονίου, τουλάχιστον μια μεταγραφική ομάδα πρέπει να περιλαμβάνει όλα τα γονίδια ενός οπερονίου. Ως υποκινητής ορίζεται μια αλληλουχία DNA επί της οποίας προσδένεται η RNA πολυμεράση, προκειμένου να ξεκινήσει τη μεταγραφή. Να σημειωθεί πως οι αλληλουχίες των υποκινητών είναι εξειδικευμένες έναντι των διαφόρων σ παραγόντων που σχετίζονται με τον πυρήνα της RNA πολυμεράσης. Περιοχές πρόσδεσης μεταγραφικών παραγόντων Οι περιοχές πρόσδεσης μεταγραφικών παραγόντων είναι περιοχές του DNA σε ένα γονιδίωμα, με συγκεκριμένη ακολουθία που καθιστά εφικτή την αναγνώρισή τους από συγκεκριμένους μεταγραφικούς παράγοντες, οι οποίοι τελικώς προσδένονται σε αυτές (transcription factor binding sites, TFBS). Ένα γονίδιο (gene) ή κιστρόνιο (cistron) είναι το τμήμα DNA που ευθύνεται για την σύνθεση μιας πολυπεπτιδικής αλυσίδας ή ενός μορίου RNA. Περιλαμβάνει τις περιοχές ανοδικά και καθοδικά της κωδικής περιοχής (οδηγός-leader και ουρά-trailer). Ένας μεταγραφικός παράγοντας (Transcription Factor-TF) είναι μια πρωτεΐνη (ή πολλές φορές ένα σύμπλοκο πρωτεϊνών καθώς μπορεί να είναι διμερές ή πολυμερές) που ενεργοποιεί ή αναστέλλει τη μεταγραφή μιας μεταγραφικής μονάδας, ύστερα από την πρόσδεσή του σε συγκεκριμένες περιοχές (TFBS) του DNA. Στη γενετική, ως ληκτική ακολουθία μεταγραφής θεωρείται μια νουκλεοτιδική ακολουθία που σηματοδοτεί το τέλος ενός γονιδίου ή ενός οπερονίου στο γονιδιωματικό DNA κατά την μεταγραφή. Αυτή η ακολουθία, μεσολαβεί στον τερματισμό της διαδικασίας της μεταγραφής, παρέχοντας σήματα στο νεοσυντιθέμενο mRNA, ενεργοποιώντας έτσι όλες εκείνες τις απαραίτητες διεργασίες για την αποδέσμευση του νεοσυντιθέμενου mRNA, από το σύμπλοκο της μεταγραφής. Αυτές οι διεργασίες περιλαμβάνουν μεταξύ άλλων την απευθείας αλληλεπίδραση της δευτεροταγούς δομής του mRNA με το σύμπλοκο της μεταγραφής. Τα μικρά RNAs (sRNAs), είναι μικρά μόρια RNA, μεγέθους που κυμαίνεται μεταξύ 30 και 350 νουκλεοτιδίων, που λειτουργούν ως ρυθμιστές της γονιδιακής έκφρασης σε διάφορα επίπεδα και δεν μεταφράζονται σε πρωτεΐνες. Ως προϊόν ορίζεται το RNA ή η πρωτεΐνη που παράγεται με βάση ένα συγκεκριμένο γονίδιο. Σύμφωνα με τη μοριακή γενετική, ένα ρεγουλόνιο, ορίζεται ως μια ομάδα γονιδίων που ρυθμίζονται ως μια μονάδα, που με τη σειρά της ελέγχεται από το ίδιο ρυθμιστικό γονίδιο που εκφράζει μια πρωτεΐνη που λειτουργεί ως καταστολέας ή ως ενεργοποιητής. Η γραφική απεικόνιση ενός οπερονίου περιλαμβάνει όλα τα γονίδια των επιμέρους διαφορετικών μεταγραφικών μονάδων, καθώς επίσης και όλα τα ρυθμιστικά στοιχεία που εμπλέκονται στη μεταγραφή και στη ρύθμιση αυτών των μεταγραφικών μονάδων. Στην παρούσα βάση δεδομένων ένα οπερόνιο λαμβάνεται ως μια δομική μονάδα που εσωκλύει όλα τα επιμέρους γονίδια και ρυθμιστικά στοιχεία. Ένα οπερόνιο με αρκετούς γειτονικούς υποκινητές είναι πιθανόν να έχει και διπλές περιοχές πρόσδεσης (dual binding sites), κάθε μια από τις οποίες θα ευθύνεται για την ενεργοποίηση ενός εκ των υποκινητών, και την καταστολή των υπολοίπων. Στην ίδια σελίδα της συγκεκριμένης βάσης δεδομένων, η συλλογή των διαφόρων μεταγραφικών μονάδων παρουσιάζεται κάτω από το οπερόνιο. Η γραφική απεικόνιση μιας μεταγραφικής μονάδας περιλαμβάνει πάντα μόνο ένα υποκινητή (εφόσον είναι γνωστός) με τις αντίστοιχες περιοχές πρόσδεσης μεταγραφικών παραγόντων που ρυθμίζουν την ενεργότητά του, ακολουθούμενο από τα αντίστοιχα μεταγραφόμενα γονίδια. Η RegulonDB ουσιαστικά περιγράφει τις αλληλεπιδράσεις των ρυθμιστικών πρωτεϊνών και των συσχετισμένων θέσεων πρόσδεσης, καθώς και την οργάνωση ρυθμιστικών χαρακτηριστικών (περιοχές, γονίδια, υποκινητές) με τα οπερόνια και ρεγουλόνια που συσχετίζονται με αυτά. Ο ορισμός του οπερονίου στον οποίο βασίζεται η συγκεκριμένη βάση δεδομένων αποδίδεται ως πολυιστρονική μεταγραφόμενη μονάδα με τις συσχετιζόμενες ρυθμιστικές περιοχές, ενώ το ρεγουλόνιο ορίζεται ως μια ομάδα οπερονίων που ελέγχεται από έναν ρυθμιστή. Τα οπερόνια και η εσωτερική τους δομή περιγράφονται σε πίνακες με ιεραρχική οργάνωση. Από την άλλη, μια ρυθμιστική αλληλεπίδραση (ΡΑ) μπορεί να οριστεί ως μια τετραπλή ρυθμιστική αλληλεπίδραση στην οποία υπάρχει ο ρυθμιζόμενος υποκινητής, η ρυθμιστική πρωτεΐνη, η περιοχή που προσδένεται ο ρυθμιστής και η λειτουργία ή η ρυθμιστική επίδραση στον ρυθμιζόμενο υποκινητή. Ο πίνακας με τις ρυθμιστικές αλληλεπιδράσεις είναι ο πυρήνας για την περιγραφή του μοντέλου συσχέτισης. Ιδιαίτερο χαρακτηριστικό της βάσης αποτελεί ο διαχωρισμός των ενδείξεων στις οποίες στηρίζονται τα μοτίβα που περιέχει σε ισχυρές και ασθενείς καθώς και η χρήση της μηχανής αναζήτησης βιβλιογραφίας, Textpresso, για τα βιβλιογραφικά δεδομένα που περιγράφουν τα μοτίβα της βάσης. Αυτό το τελευταίο έχει καταστήσει δυνατή τη διασύνδεση τους όχι μόνο με συγκεκριμένες λέξεις-κλειδιά που διευκολύνουν τις αναζητήσεις, αλλά και με οντολογικούς όρους που προέρχονται από την οντολογία γονιδίων. Με αυτόν τον τρόπο γίνεται δυνατή η διασύνδεση της συγκεκριμένης βάσης δεδομένων με άλλες, οι οποίες επίσης χρησιμοποιούν την οντολογία των γονιδίων. Το σύστημα συσχέτισης της RegulonDB αποτελείται από πίνακες και ένα σύνολο συσχετίσεων μεταξύ αυτών των πινάκων, όπου κάθε πίνακας περιέχει κωδικοποιημένες πληροφορίες (χαρακτηριστικά) για το κάθε συγκεκριμένο αντικείμενο, όπως τα οπερόνια, οι υποκινητές, ρυθμιστικές αλληλεπιδράσεις, κτλ. Η σχέση μεταξύ δύο αντικειμένων ορίζεται από την καταχώριση των δύο αντικειμένων ως ένα ζεύγος. Ο σχεδιασμός των συσχετίσεων της RegulonDB περιλάμβανε τη μοντελοποίηση της εσωτερικής δόμησης των οπερονίων σε ρυθμιστικές περιοχές, υποκινητές και γονίδια αφ’ ενός, και τις αλληλεπιδράσεις των μορίων που περιλαμβάνονται στη ρύθμιση της μεταγραφής, από την άλλη. Αυτό το μοντέλο περιγράφεται στην Εικόνα 1. Στην Εικόνα 1 απεικονίζονται δύο τύποι συσχετίσεων, απλές και πολύπλοκες. Μία απλή συσχέτιση είναι μεταξύ δύο αντικειμένων, όπως μεταξύ οπερονίων και υποκινητών, όπου σίγουρα ένα οπερόνιο μπορεί να περιέχει διάφορους υποκινητές και ένας υποκινητής ανήκει σε ένα οπερόνιο. Πολύπλοκες συσχετίσεις μεταξύ δύο αντικειμένων χρειάζονται τη δημιουργία ενός ενδιάμεσου πίνακα που δεν ανταποκρίνεται σε κανένα αντικείμενο από τα δύο μεμονωμένα (τα διαμάντια στην Εικόνα 1). Για παράδειγμα, μια πρώτη προσέγγιση μοντέλου γονιδιακής ρύθμισης με βάση τη βάση δεδομένων, μπορούμε να πούμε ότι περιέχει τρεις τύπους αντικειμένων: αυτά που ορίζουν «εμφανείς φυσικές οντότητες» ή βιολογικές δομές (π.χ. οπερόνια, υποκινητές, γονίδια, σήματα, πολυπεπτίδια, πρωτεϊνικά συμπλέγματα και ευθυγραμμίσεις), τον πίνακα λειτουργικότητας που περιγράφει πολύπλοκες ρυθμιστικές αλληλεπιδράσεις και ένα εικονικό αντικείμενο. Τον πρώτο τύπο τον ονομάζουμε «εμφανείς φυσικές οντότητες» διότι σε βαθύτερη ανάλυση βλέπουμε ότι είναι πιο αρμοστό να θεωρούμε τα οπερόνια, τους υποκινητές, ακόμα και τα γονίδια, ως λειτουργικές ιδιότητες εντοπισμένες σε συγκεκριμένες αλληλουχίες, παρά σαν αλληλουχίες DNA με κληρονομικές ιδιότητες. Ο πίνακας με τις ρυθμιστικές αλληλεπιδράσεις αντιστοιχεί στην τετραπλή λειτουργία ρυθμιστικών αλληλεπιδράσεων. Τα ρεγουλόνια είναι εικονικά αντικείμενα εφόσον δεν υπάρχει πίνακας ρεγουλονίων στη βάση δεδομένων, και παράγονται με ένα πρόγραμμα που χρησιμοποιεί πληροφορίες που περιέχονται σε άλλους πίνακες. Το διάγραμμα εφαρμογής του μοντέλου απεικονίζεται στην Εικόνα 2, όπου παρουσιάζονται οι πίνακες με τα χαρακτηριστικά τους και τις σχέσεις μεταξύ τους. Μία απλή συσχέτιση απεικονίζεται με βέλος μεταξύ των δύο πινάκων και οι πολύπλοκες συσχετίσεις αντιπροσωπεύονται από τους πίνακες-συνδέσμους. Ένα παράδειγμα πολύπλοκης συσχέτισης είναι αυτό που αναφέρεται στα γονίδια και τους υποκινητές και περιγράφεται από τον πίνακα-σύνδεσμο γονιδίων. Σίγουρα, ένα γονίδιο μπορεί να μεταγραφεί από διάφορους υποκινητές και ένας υποκινητής μπορεί να ξεκινήσει την μεταγραφή διαφόρων γονιδίων. Αυτός ο πίνακας επιτρέπει τη μοντελοποίηση οπερονίων στη βάση δεδομένων, όπου ένας υποκινητής A (pA) μπορεί να μεταγράφει τα γονίδια G1, G2 και G3, και ένας άλλος υποκινητής B (pB), μεταγράφει τα γονίδια G2 και G3. Ο κάθε υποκινητής περιγράφεται ξεχωριστά στους πίνακες των υποκινητών, και κάθε γονίδιο περιγράφεται ξεχωριστά στους πίνακες των γονιδίων. Ο πίνακας σύνδεσμος των γονιδίων περιέχει συσχετίσεις που περιγράφονται από τα ζεύγη (pA, G1), (pA, G2), (pA, G3) και (pB, G2), (pB, G3). Περαιτέρω πίνακες-σύνδεσμοι μπορεί να είναι για παράδειγμα πίνακες-σύνδεσμοι σημάτων που συνδέουν σήματα μεταβολιτών με ρυθμιστικές αλληλεπιδράσεις, και πίνακες συνδέσμους καταστάσεων που συνδέουν φυσιολογικές καταστάσεις με τις συσχετιζόμενες τους ρυθμιστικές αλληλεπιδράσεις. Είναι αξιοσημείωτο το γεγονός ότι αυτές οι απλές και πολύπλοκες αλληλεπιδράσεις πραγματικά καθορίζουν την ιεραρχία μεταξύ των πινάκων στο μοντέλο. Ένα παράδειγμα αποτελεί η ιεραρχική σχέση μεταξύ των ρυθμιστικών αλληλεπιδράσεων από τη μία, και των υποκινητών και πρωτεϊνών από την άλλη. Μια ρυθμιστική αλληλεπίδραση δεν μπορεί να περιγραφεί εάν ένας ρυθμιζόμενος υποκινητής και η σχετιζόμενη ρυθμιστική πρωτεΐνη δεν έχουν περιγραφεί προηγουμένως. Παρομοίως, γονίδια και υποκινητές πρέπει να ανήκουν σε ένα υπάρχον οπερόνιο, και επομένως μόνο γονίδια και υποκινητές τα οποία μπορούν να οριστούν ως τμήμα του οπερονίου μπορούν να συμπεριληφθούν στη βάση δεδομένων. Η RegulonDB αποτελεί μια βάση δεδομένων πλήρως ενημερωμένη σχετικά με τη ρύθμιση της μεταγραφικής διαδικασίας στο πιο δημοφιλές βακτήριο που αποτελεί μοντέλο-οργανισμό, Escherichia coli, στέλεχος K-12. Στόχος αυτής της βάσης δεδομένων είναι να οργανώνει μεγάλο όγκο δεδομένων που έχουν προκύψει από την επιστημονική βιβλιογραφία και αφορούν τους μεταγραφικούς παράγοντες, τη δομή των οπερονίων, τα μικρά RNAs, τους ριβοδιακόπτες, και ποικίλες ρυθμιστικές αλληλεπιδράσεις που σχετίζονται με την έναρξη της μεταγραφής, και να τα διαθέτει σε απλή και αξιοποιήσιμη μορφή για την επιστημονική κοινότητα. H RegulonDB έπαιξε κεντρικό ρόλο στην ανάπτυξη και δοκιμή νέων προσεγγίσεων της γονιδιακής ρύθμισης στη βιοπληροφορική, στη σύγκριση γονιδιωμάτων και τη βιολογία συστημάτων, και αποτελεί χαρακτηριστικό παράδειγμα βάσης δεδομένων για να εμπνεύσει παρόμοιες προσεγγίσεις μελέτης άλλων οργανισμών, συμπεριλαμβανομένων και παθογόνων βακτηρίων. H RegulonDB αποτελεί μια βάση δεδομένων στην οποία περιέχονται εκτενώς και αναλυτικά όλα τα απαραίτητα στοιχεία και αλληλεπιδράσεις που αφορούν το ρυθμιστικό δίκτυο του ζωντανού οργανισμού Escherichia coli. Συνεπώς, είναι λογικό να αποτελέσει πηγή άντλησης πληροφοριών για νέες ιδέες, νεες προοπτικές και νέες μεθόδους σε κλάδους όπως η βιοπληροφορική, η γενετική και η βιολογία συστημάτων. Χρήση της RegulonDB έχει γίνει σε ποικίλες έρευνες που περιλαμβάνουν μοτίβα τοπολογικών δικτύων, σε μελέτες θέσης εκκινητών και οπερόνια, σε ανάλυση μικροσυστοιχιών, σε πειράματα ανοσοκατακρημνίσης χρωματίνης, σε μοντέλα προσομοίωσης της μεταγραφικής διαδικασίας, στην ανοικοδόμηση μεταβολικών και ρυθμιστικών δικτύων και πειραματικές έρευνες.Στο Διάγραμμα 1, απεικονίζονται οι συσσωρευμένες αναφορές για κάθε ερευνητικό κείμενο που αφορά την RegulonDB ανά χρόνο και τον συνακόλουθο αντίκτυπο που έχουν σε νέα ερευνητικά αντικείμενα κυρίως για τη ρύθμιση της έκφρασης συγκεκριμένων γονιδίων. Η χρησιμότητα και η αξιοποίηση πληροφοριών από την RegulonDB διαφαίνεται στις πάνω από 1.200 αναφορές της σε δημοσιευμένα ερευνητικά άρθρα. http://regulondb.ccg.unam.mx/